JP2019502216A - In-situ quantum error correction - Google Patents

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Abstract

閉ループフィードバックにより量子エラー訂正の連続な実行の並列な最適化のための方法、システム、および装置である。1態様では、方法は、前記量子システム上でエラー訂正動作が実行している間にその場で量子ビット性能を連続的におよび効果的に最適化するステップを含む。前記方法は、エラー検出からの前記出力を直接監視し、この情報を、前記量子システムに関連付けられた前記量子ゲートを較正するためのフィードバックとして提供する。幾つかの実装では、前記物理量子ビットは1つまたは複数の独立なハードウェア・パターンに空間的に分割され、各ハードウェア・パターンに帰属可能である前記エラーは非重複である。ハードウェア・パターンの前記1つまたは複数の異なるセットはついで、全ての物理量子ビットおよび動作が最適化されるように一時的にインタリーブされる。前記方法により、ハードウェア・パターンの各セクションの最適化を、個々におよび並列に実施でき、O(1)スケーリングをもたらすことができる。  A method, system, and apparatus for parallel optimization of sequential execution of quantum error correction with closed loop feedback. In one aspect, the method includes continuously and effectively optimizing qubit performance in situ while performing error correction operations on the quantum system. The method directly monitors the output from error detection and provides this information as feedback to calibrate the quantum gate associated with the quantum system. In some implementations, the physical qubits are spatially divided into one or more independent hardware patterns, and the errors that can be attributed to each hardware pattern are non-overlapping. The one or more different sets of hardware patterns are then temporarily interleaved so that all physical qubits and operations are optimized. With the method, optimization of each section of the hardware pattern can be performed individually and in parallel, resulting in O (1) scaling.

Description

物理ゲート・パラメータの最適化が、フォールト・トレラント量子コンピュータを構築するために要求されている。ランダム化されたベンチマーキングまたはトモグラフィのような特徴付け方法は、必要なエラー検出動作の割込みを要求し、エラー訂正回路における最適性能を保証しない。エラー・モデル最適化方法を用いた物理ゲート・パラメータの最適化は、測定された物理エラーが物理ゲートにリンクされうるようにエラー・モデルがトレーニングされることを要求し、決定されたエラーがコントロール・パラメータの変化にリンクし戻されることを要求し、最適化プロセスの複雑度を増大させる。   Optimization of physical gate parameters is required to build fault tolerant quantum computers. Characterization methods such as randomized benchmarking or tomography require interruption of the necessary error detection operations and do not guarantee optimal performance in the error correction circuit. Optimizing physical gate parameters using error model optimization methods requires that the error model be trained so that the measured physical error can be linked to the physical gate, and the determined error is controlled. Require that it be linked back to parameter changes, increasing the complexity of the optimization process.

本明細書は量子計算における量子ビット性能に関する。   This specification relates to qubit performance in quantum computation.

本明細書は、量子システム上のエラー訂正動作が実行している間にその場での連続的かつ並列な量子ビット性能の最適化に関する技術を説明する。   This document describes techniques for optimizing on-the-fly continuous and parallel qubit performance while performing error correction operations on quantum systems.

一般に、本明細書で説明した主題の1つの進歩的な態様は、複数のデータ量子ビットと、各データ量子ビットが近傍の測定量子ビットを有するように当該データ量子ビットにインタリーブする、複数の測定量子ビットと、各読出し量子ゲートが測定量子ビットで動作するように構成された、複数の読出し量子ゲートと、各シングル量子ビット量子ゲートがデータ量子ビットまたは測定量子ビットで動作するように構成された、複数のシングル量子ビット量子ゲートと、各CNOT量子ゲートが、データ量子ビットおよび近傍の測定量子ビットで動作するように構成され、各CNOTゲートが複数の方向のうち1つを定義する、複数のCNOT量子ゲートとを含む量子情報記憶システムにアクセスするステップと、データ量子ビットおよび測定量子ビットを複数のパターンに分割するステップであって、少なくとも1つのパターンは当該パターンに対する非重複エラーを受け、パターンに対する非重複エラーは当該パターンに帰属可能なエラーである、ステップと、測定量子ビットを含むパターンごとに、当該測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、当該測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、CNOTゲートにより動作されるデータ量子ビットおよび測定量子ビットを含むパターンごとに、当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、同一の方向を定義するCNOTゲートのセットを選択し、当該選択されたCNOTゲートに対するパラメータを並列に最適化するステップとからなるアクションを含むことができる。   In general, one inventive aspect of the subject matter described herein is a plurality of measurements that interleave with a plurality of data qubits and each data qubit has a nearby measurement qubit such that it has a nearby measurement qubit. Multiple read qugates and each single qubit qugate configured to operate with data qubits or measurement qubits, each qubit configured to operate with measurement qubits A plurality of single qubit quantum gates and each CNOT quantum gate configured to operate with data qubits and nearby measurement qubits, each CNOT gate defining one of a plurality of directions, Accessing a quantum information storage system comprising a CNOT quantum gate, and data qubits and measurements Dividing the child bits into a plurality of patterns, wherein at least one pattern receives a non-overlapping error for the pattern, the non-overlapping error for the pattern is an error that can be attributed to the pattern, and a measurement qubit For each pattern including the steps of optimizing in parallel the parameters of a read qugate that operates with the measurement qubit, and optimizing the parameters of a single qubit quantum gate that operates with the measurement qubit in parallel, For each pattern including a data qubit and a measurement qubit operated by a CNOT gate, a step of optimizing the parameters of a single qubit quantum gate operating with the data qubit in parallel and a CNOT gate defining the same direction Select a set of The parameters for the CNOT gates may include an action comprising the step of optimizing in parallel.

当該態様の他の実装は、対応するコンピュータシステム、装置、および1つまたは複数のコンピュータ記憶デバイスに記録されたコンピュータプログラムを含み、それぞれ当該方法のアクションを実施するように構成される。1つまたは複数のコンピュータからなるシステムを、当該システムにアクションを実施させる当該システムにインストールされたソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの組合せにより、特定の動作またはアクションを実施するように構成することができる。1つまたは複数のコンピュータプログラムを、データ処理装置により実行されたとき、当該装置にアクションを実施させる命令を含めることで特定の動作またはアクションを実施するように構成することができる。   Other implementations of the aspect include corresponding computer systems, apparatuses, and computer programs recorded on one or more computer storage devices, each configured to perform the actions of the method. Configuring a system of one or more computers to perform a specific operation or action by software, firmware, hardware, or a combination thereof installed in the system that causes the system to perform an action Can do. One or more computer programs, when executed by a data processing device, can be configured to perform a particular operation or action by including instructions that cause the device to perform an action.

以上のおよび他の実装はそれぞれ、場合によっては、以下の特徴の1つまたは複数を単体または組合せで含むことができる。   Each of these and other implementations may optionally include one or more of the following features, alone or in combination.

幾つかの実装では、当該複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットは、当該複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットが量子ビットの1次元チェーンを定義し、当該複数の方向が第1の方向および当該第1の方向と反対の第2の方向を含むように、インタリーブされる。   In some implementations, the plurality of data qubits and measurement qubits define a one-dimensional chain of qubits where the plurality of data qubits and measurement qubits are the first direction and the plurality of directions. Interleaved to include a second direction opposite to the first direction.

他の実装において、当該複数のシングル量子ビットゲートは位相シフトゲートまたは回転ゲートである。   In other implementations, the plurality of single qubit gates are phase shift gates or rotation gates.

幾つかのケースでは、当該データ量子ビットはコントロール量子ビットであり、当該近傍の測定量子ビットはCNOTゲートごとのターゲット量子ビットである。   In some cases, the data qubit is a control qubit, and the neighboring measurement qubit is a target qubit for each CNOT gate.

他のケースでは、当該データ量子ビットはターゲット量子ビットであり、当該近傍の測定量子ビットはCNOTゲートごとのコントロール量子ビットである。   In other cases, the data qubit is a target qubit, and the neighboring measurement qubit is a control qubit for each CNOT gate.

幾つかの実装では、当該測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、測定量子ビットごとに、最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、当該測定量子ビットを測定して現在のエラー率を決定するステップと、当該決定された現在のエラー率を格納するステップと、当該現在のエラー率と当該以前の反復からの当該格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算するステップと、エラー率の当該計算された変化に基づいて当該読出しゲート・パラメータを調節するステップとを含む。   In some implementations, the step of optimizing the parameters of the readout quantum gate operating on the measurement qubit in parallel is an iterative process using closed-loop feedback, and each iteration is minimally measured in parallel for each measurement qubit. Defining a corresponding metric for initialization as a determined error rate, measuring the measured qubit to determine a current error rate, and storing the determined current error rate Calculating a change in error rate between the current error rate and the stored error rate from the previous iteration, and determining the read gate parameter based on the calculated change in error rate. Adjusting.

幾つかのケースでは、最小化に対する当該定義されたメトリックに基づいて当該読出しゲート・パラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む。   In some cases, adjusting the read gate parameter based on the defined metric for minimization includes applying a numerical optimization algorithm.

幾つかの実装では、当該測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、測定量子ビットごとに、最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、当該測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、当該決定された現在のエラー率を格納するステップと、当該現在のエラー率と当該以前の反復からの当該格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算するステップと、エラー率の当該計算された変化に基づいて当該シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップとを含む。   In some implementations, the step of optimizing the parameters of a single qubit qugate operating on the measurement qubit in parallel is an iterative process using closed-loop feedback, and each iteration is performed in parallel for each measurement qubit. Defining a corresponding metric for minimization as a determined error rate, measuring the measurement qubit to determine an error rate, and storing the determined current error rate Calculating a change in error rate between the current error rate and the stored error rate from the previous iteration, and based on the calculated change in error rate, the single qubit gate Adjusting the parameters.

幾つかのケースでは、最小化に対する当該定義されたメトリックに基づいて当該シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む。   In some cases, adjusting the parameters of the single qubit gate based on the defined metric for minimization includes applying a numerical optimization algorithm.

幾つかの実装では、当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、データ量子ビットごとに、最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、当該対応する測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、当該決定された現在のエラー率を格納するステップと、当該現在のエラー率と当該以前の反復からの当該格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算するステップと、エラー率の当該計算された変化に基づいて当該シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップとを含む。   In some implementations, the step of optimizing the parameters of a single qubit qugate operating on the data qubit in parallel is an iterative process using closed-loop feedback, and each iteration is performed in parallel for each data qubit. Defining a corresponding metric for minimization as a determined error rate, measuring the corresponding measurement qubit to determine an error rate, and storing the determined current error rate Calculating a change in error rate between the current error rate and the stored error rate from the previous iteration, and the single qubit based on the calculated change in error rate. Adjusting the parameters of the gate.

幾つかのケースでは、最小化に対する定義されたメトリックに基づいてシングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む。   In some cases, adjusting the single qubit gate parameters based on a defined metric for minimization includes applying a numerical optimization algorithm.

他の実装において、同一の方向を定義するCNOTゲートのセットを選択し、当該選択されたCNOTゲートに対するパラメータを並列に最適化するステップは、選択された1組のCNOTゲートごとに並列に、当該選択されたセット内の各データ量子ビットに対して、最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、当該対応する測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、当該決定された現在のエラー率を格納するステップと、当該現在のエラー率と当該以前の反復からの当該格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算するステップと、エラー率の当該計算された変化に基づいて当該CNOTゲート・パラメータを調節するステップを含む。   In other implementations, selecting a set of CNOT gates that define the same direction and optimizing the parameters for the selected CNOT gates in parallel may be performed in parallel for each selected set of CNOT gates. For each data qubit in the selected set, defining a corresponding metric for minimization as a determined error rate, and measuring the corresponding measurement qubit to determine an error rate Storing the determined current error rate, calculating a change in error rate between the current error rate and the stored error rate from the previous iteration, and an error rate Adjusting the CNOT gate parameter based on the calculated change in.

幾つかのケースでは、最小化に対する定義されたメトリックに基づいてシングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む。   In some cases, adjusting the single qubit gate parameters based on a defined metric for minimization includes applying a numerical optimization algorithm.

本明細書で説明した主題を、以下の利点の1つまたは複数を実現するために、実装することができる。エラー訂正が実行している間にその場で、物理ゲート・パラメータ、およびしたがって量子ビット性能を連続的におよび効果的に最適化することで、連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する当該量子コンピュータの性能は、必要なエラー検出動作および他の計算の割込みを要求しうる他の特徴付け方法を使用する量子コンピュータと比較して、改善された性能および信頼性を実現することができる。例えば、連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータは、計算に割り込むことなく当該システムが実行している間に量子ビットごとの各ゲートのパラメータごとに、システムドリフト、即ち、温度に起因したシステムハードウェア変更の結果としての最適パラメータのドリフトに対抗することができる。   The subject matter described herein can be implemented to realize one or more of the following advantages. By optimizing the physical gate parameters, and thus qubit performance, on the fly while performing error correction, parallel optimization of continuous error correction execution is achieved. The performance of the quantum computer to be implemented provides improved performance and reliability compared to a quantum computer using other characterization methods that may require the required error detection operations and other computational interruptions Can do. For example, a quantum computer that implements parallel optimization of performing continuous error correction performs system drift, i.e., for each gate parameter per qubit, while the system is running without interrupting the computation. Optimal parameter drift as a result of system hardware changes due to temperature can be countered.

多数の状況では、検出イベントは、エラー検出が実行している間にシステム性能を反映する利用可能な唯一の情報である。連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータは、検出イベントを必要とし、これは、多数の異なる形態のエラー訂正に適用可能な重要な技術である。   In many situations, a detection event is the only information available that reflects system performance while error detection is being performed. Quantum computers that implement parallel optimization of performing continuous error correction require detection events, which is an important technique that can be applied to many different forms of error correction.

さらに、エラー訂正動作の主な課題は他の方法で特徴付けられたゲートが多量子ビットシステム内のエラー検出回路でどのように実行するかを知ることであるので、連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータは、他の特徴付け方法と比較してエラー訂正回路における改善された性能を実現する。データを格納する量子ビットは一般に計算の間で測定されないが、依然として最適化を要求し、これを連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化により実現しうる。   In addition, the main challenge of error correction operation is to know how the gates characterized by other methods perform in error detection circuits in multi-qubit systems, so that continuous error correction is performed. Quantum computers that implement parallel optimization of the above achieve improved performance in error correction circuits compared to other characterization methods. The qubits that store the data are generally not measured between computations, but still require optimization, which can be achieved by parallel optimization of successive error correction runs.

連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータはモデル・フリーであってもよく、例えば、初期記述がモデル・フリーであってもよく、エラー・モデルの構築の必要性を回避する。連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する量子コンピュータはしたがって、かかるエラー・モデルをトレーニングする際に使用するための様々なエラータイプに関する統計値を収集する必要性を回避してもよく、当該エラー・モデルは、十分な統計値を収集するために、個々の1次エラーが疎であるように当該物理システムが閾値よりかなり低いことを要求し、したがって他の特徴付け方法と比べて時間と要求された計算リソースを節約する。   A quantum computer that implements parallel optimization of performing continuous error correction may be model-free, for example, the initial description may be model-free, and the need to build an error model. To avoid. Quantum computers that implement parallel optimization of performing continuous error correction can therefore avoid the need to collect statistics on various error types for use in training such error models. Often, the error model requires the physical system to be well below a threshold so that individual first order errors are sparse in order to collect sufficient statistics, and thus compared to other characterization methods. Save time and computational resources required.

さらに、連続的なエラー訂正の実行の並列な最適化を実装する任意のサイズの量子コンピュータは、当該量子コンピュータ内の各ゲートを最適化するために、高レベルのスケーラビリティ、例えば、O(1)を実現しうる。   In addition, any size quantum computer that implements parallel optimization of performing continuous error correction performs a high level of scalability, eg, O (1), to optimize each gate within the quantum computer. Can be realized.

本明細書の当該主題の1つまたは複数の実装の詳細を添付図面および以下の説明で説明する。当該主題の他の特徴、態様、および利点は詳細な説明、添付図面、および添付の特許請求の範囲から明らかになろう。   The details of one or more implementations of the subject matter are described in the accompanying drawings and the description below. Other features, aspects, and advantages of the subject matter will become apparent from the detailed description, the accompanying drawings, and the appended claims.

例示的なエラー訂正システムの1次元略斜視図である。1 is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary error correction system. FIG. 例示的なエラー訂正システムにおける量子ビットの2次元略斜視図である。2 is a two-dimensional schematic perspective view of a qubit in an exemplary error correction system. FIG. 量子ビットの1次元アレイを含むエラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターンの1次元略斜視図である。1 is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary hardware pattern in an error correction system including a one-dimensional array of qubits. FIG. 量子ビットの1次元アレイを含むエラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターンの1次元略斜視図である。1 is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary hardware pattern in an error correction system including a one-dimensional array of qubits. FIG. 例示的なエラー訂正システムにおける量子ビットの1次元略斜視図の回路表現である。2 is a circuit representation of a one-dimensional schematic perspective view of a qubit in an exemplary error correction system. エラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターンの2次元略斜視図である。2 is a two-dimensional schematic perspective view of an exemplary hardware pattern in an error correction system. FIG. エラー訂正に対する例示的なプロセスの流れ図である。2 is a flowchart of an exemplary process for error correction. 測定量子ビット上のシングル量子ビット量子ゲート・パラメータを最適化するための例示的なプロセスの流れ図である。4 is a flow diagram of an example process for optimizing a single qubit qugate parameter on a measurement qubit. データ量子ビット上のシングル量子ビット量子ゲート・パラメータを最適化するための例示的なプロセスの流れ図である。4 is a flow diagram of an example process for optimizing a single qubit qugate parameter on a data qubit. CNOTゲート・パラメータを最適化するための例示的なプロセスの流れ図である。2 is a flow diagram of an exemplary process for optimizing CNOT gate parameters.

様々な図面における同様な参照番号および指定は同様な要素を示す。   Like reference numbers and designations in the various drawings indicate like elements.

本明細書は、当該量子システム上でエラー訂正動作が実行している間にその場で量子ビット性能を連続的におよび効果的に最適化するための量子システムおよび方法を説明する。当該方法は、エラー検出からの出力を直接監視し、この情報を、当該量子システムに関連付けられた量子ゲートを較正するためのフィードバックとして提供する。幾つかの実装では、当該物理量子ビットは、1つまたは複数の独立なハードウェア・パターン、即ち、各ハードウェア・パターンに帰属可能であるエラーが非重複である構成に空間的に分割される。ハードウェア・パターンの当該1つまたは複数の異なるセットはついで、全ての物理量子ビットおよび動作が最適化されるように一時的にインタリーブされる。当該方法により、ハードウェア・パターンの各セクションの最適化を個々におよび並列に実施でき、O(1)スケーリングをもたらしうる。   This document describes quantum systems and methods for continuously and effectively optimizing qubit performance in situ while performing error correction operations on the quantum system. The method directly monitors the output from error detection and provides this information as feedback to calibrate the quantum gate associated with the quantum system. In some implementations, the physical qubits are spatially divided into one or more independent hardware patterns, ie, configurations in which errors that can be attributed to each hardware pattern are non-overlapping . The one or more different sets of hardware patterns are then temporarily interleaved so that all physical qubits and operations are optimized. With this method, optimization of each section of the hardware pattern can be performed individually and in parallel, resulting in O (1) scaling.

例示的な動作環境
図1Aは、反復コードに対する例示的なエラー訂正システム100の1次元略斜視図である。システム100は2次元サーフェスコードの1次元分割である。当該システムは量子ビット102の1次元アレイを含む。明確さのため、9個の量子ビットが図1Aに示されているが、当該システムが、かなり大きな数の量子ビット、例えば、何百万もの量子ビットを含んでもよい。量子ビットの当該アレイは、測定量子ビット、例えば、106、110、114、および118とラベル付けされた測定量子ビットとインタリーブされた、データ量子ビット、例えば、104、108、112、116、および120とラベル付けされたデータ量子ビットを含む。ビット・フリップ・エラー検出のケースでは、当該量子ビットは測定Zタイプ量子ビットであってもよい。
Exemplary Operating Environment FIG. 1A is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary error correction system 100 for iterative code. System 100 is a one-dimensional division of a two-dimensional surface code. The system includes a one-dimensional array of qubits 102. For clarity, nine qubits are shown in FIG. 1A, but the system may include a fairly large number of qubits, eg, millions of qubits. The array of qubits includes data qubits, eg, 104, 108, 112, 116, and 120, interleaved with measurement qubits, eg, measurement qubits labeled 106, 110, 114, and 118. Data qubits labeled as. In the case of bit flip error detection, the qubit may be a measured Z-type qubit.

当該システムが、1組の読出し量子ゲート、例えば、読出し量子ゲート122を含んでもよい。当該読出しゲートは測定量子ビット、例えば、測定量子ビット106、110、114および118で動作するように構成されてもよい。各読出しゲートは対応する測定量子ビットの状態を提供してもよく、対応する1組の物理読出しゲート・パラメータに関連付けられてもよい。   The system may include a set of readout quantum gates, eg, readout quantum gate 122. The read gate may be configured to operate with measurement qubits, eg, measurement qubits 106, 110, 114 and 118. Each read gate may provide a corresponding measured qubit state and may be associated with a corresponding set of physical read gate parameters.

当該システムが、1組のシングル量子ビット量子ゲート、例えば、シングル量子ビットゲート132および134を含んでもよい。当該シングル量子ビット量子ゲートは単一のデータ量子ビットまたは単一の測定量子ビットの何れかで動作するように構成されてもよい。図1Aに示すシングル量子ビットゲートはPauliXゲート、例えば、PauliXゲート134、およびHadamardゲート、例えば、Hadamardゲート132を含むが、幾つかの実装では、当該システムが、他のシングル量子ビットゲートを含んでもよい。例えば、当該シングル量子ビットゲートが、任意の位相シフトゲートまたは回転ゲートを含んでもよい。各シングル量子ビット量子ゲートは対応する1組の物理シングル量子ビット量子ゲート・パラメータに関連付けられてもよい。   The system may include a set of single qubit quantum gates, for example, single qubit gates 132 and 134. The single qubit quantum gate may be configured to operate with either a single data qubit or a single measurement qubit. The single qubit gate shown in FIG. 1A includes a PauliX gate, eg, PauliX gate 134, and a Hadamard gate, eg, Hadamard gate 132, although in some implementations the system may include other single qubit gates. Good. For example, the single qubit gate may include any phase shift gate or rotation gate. Each single qubit quantum gate may be associated with a corresponding set of physical single qubit quantum gate parameters.

当該システムが、1組の制御されたNOT(CNOT)ゲート、例えば、CNOTゲート124を含んでもよい。制御されたゲートは2つ以上の量子ビットに作用してもよく、当該量子ビットの1つまたは複数は幾つかの動作に対する制御として動作してもよい。CNOTゲートが、2つの量子ビット、即ち、コントロール量子ビットおよびターゲット量子ビットで動作してもよく、当該コントロール量子ビットが1>であるときにのみ当該ターゲット量子ビット上でNOT動作を実施する。図1AにおけるCNOTゲートは近傍の測定およびデータ量子ビットのペアで動作するように構成され、1つの量子ビットは当該コントロール量子ビットおよび他のターゲット量子ビットとして動作し、例えば、CNOTゲート124は近傍の量子ビット104および106のペアで動作する。エラー検出がビット・フリップ・エラーを検出するように設計される場合、CNOTゲートにより操作される各データ量子ビットはコントロール量子ビットであってもよく、各近傍の測定量子ビットは対応するターゲット量子ビットであってもよい。各CNOTゲートは対応する1組の物理CNOTゲート・パラメータに関連付けられてもよい。   The system may include a set of controlled NOT (CNOT) gates, such as CNOT gate 124. A controlled gate may act on more than one qubit, and one or more of the qubits may act as a control for several operations. A CNOT gate may operate with two qubits, a control qubit and a target qubit, and performs a NOT operation on the target qubit only when the control qubit is 1>. The CNOT gate in FIG. 1A is configured to operate with a pair of nearby measurement and data qubits, where one qubit operates as the control qubit and the other target qubit, for example, the CNOT gate 124 It operates with a pair of qubits 104 and 106. If error detection is designed to detect bit-flip errors, each data qubit manipulated by the CNOT gate may be a control qubit, and each neighboring measurement qubit has a corresponding target qubit It may be. Each CNOT gate may be associated with a corresponding set of physical CNOT gate parameters.

ターゲット量子ビット、例えば、106で動作するCNOTゲート、例えば、124が当該ターゲット量子ビットに相対的な1つまたは複数の方向、例えば、図1Aに示すように、当該ターゲット量子ビットの左および右を定義してもよい。当該反復コードの例において、図1Aに示すように、CNOT量子ゲートはビット・フリップ・エラーを当該関連付けられたデータ量子ビットから検出のために当該関連付けられた測定量子ビットにコピーしてもよい。別の例では、当該エラー検出が位相フリップ・エラーを検出するように設計される場合、測定量子ビットは当該コントロール量子ビットであってもよく、近傍のデータ量子ビットは当該ターゲット量子ビットであってもよい。当該CNOT量子ゲートはついで、位相フリップ・エラーを当該関連付けられた測定量子ビットから当該関連付けられたデータ量子ビットにコピーしてもよい。   A CNOT gate operating at a target qubit, eg, 106, eg, 124 in one or more directions relative to the target qubit, eg, left and right of the target qubit as shown in FIG. It may be defined. In the example repeat code, as shown in FIG. 1A, the CNOT quantum gate may copy a bit flip error from the associated data qubit to the associated measurement qubit for detection. In another example, if the error detection is designed to detect a phase flip error, the measurement qubit may be the control qubit and the neighboring data qubit is the target qubit. Also good. The CNOT quantum gate may then copy the phase flip error from the associated measurement qubit to the associated data qubit.

当該システムが、量子ビット102とデータ通信するエラー訂正サブシステム130を含んでもよい。当該エラー訂正サブシステムは、エラー検出からの出力を監視し、当該量子ゲートを較正するためにこの情報を当該システムにフィードバックするように構成されてもよい。エラー訂正サブシステム130は量子ビット102を1つまたは複数のハードウェア・パターンに空間的に分割し、量子測定を各ハードウェア・パターンにおける測定量子ビットに実施してもよい。当該1つまたは複数のハードウェア・パターンは、それぞれに相対的な各ハードウェア・パターンの最適化が本質的に独立でありうるように、独立であってもよい。量子ビットを1つまたは複数のハードウェア・パターンに分割するステップが図2を参照して以下でより詳細に説明される。測定出力、または検出イベントは測定量子ビットに対する状態の測定されたパターンの変化を示してもよく、これは、近傍のエラーの存在、即ち、当該エラーが当該関連付けられたデータ量子ビットまたは測定量子ビットで発生したかどうかを示す。したがって、それらにおける測定出力およびそれらの測定出力が、データ量子ビットまたは測定量子ビット上のエラーに直接相関しなくてもよい。エラーおよびゲート・パラメータを相関付けるステップを、図2Aおよび2Bを参照して以下でより詳細に説明する。   The system may include an error correction subsystem 130 that is in data communication with the qubits 102. The error correction subsystem may be configured to monitor the output from error detection and feed back this information to the system to calibrate the quantum gate. Error correction subsystem 130 may spatially divide qubits 102 into one or more hardware patterns and perform quantum measurements on the measured qubits in each hardware pattern. The one or more hardware patterns may be independent such that optimization of each hardware pattern relative to each other may be inherently independent. The step of dividing the qubit into one or more hardware patterns is described in more detail below with reference to FIG. A measurement output, or detection event, may indicate a change in the measured pattern of the state relative to the measurement qubit, which indicates the presence of an error in the vicinity, i.e. the associated data qubit or measurement qubit. Indicates whether or not the error occurred. Thus, the measured outputs in them and their measured outputs may not directly correlate to data qubits or errors on measured qubits. The step of correlating the error and gate parameters is described in more detail below with reference to FIGS. 2A and 2B.

エラー訂正サブシステム130は、当該実施された量子測定の結果を使用して、測定量子ビットごとの現在のエラー率のような関心のある関連する量、またはメトリックを計算してもよい。エラー訂正サブシステム130はまた、1つまたは複数の測定された測定量子ビットに対する決定されたエラー率の平均値を計算するステップ、または時間におけるエラー率の変化を決定するステップのような、実施された量子測定の結果を用いて追加の計算を実施してもよい。エラー訂正サブシステム130がデータ・ストアを含んでもよく、実施された量子測定または追加の計算の結果を格納してもよい。   The error correction subsystem 130 may use the results of the performed quantum measurements to calculate relevant quantities or metrics of interest, such as the current error rate for each measured qubit. The error correction subsystem 130 is also implemented such as calculating an average value of the determined error rate for one or more measured measurement qubits, or determining a change in error rate over time. Additional calculations may be performed using the results of the quantum measurements. The error correction subsystem 130 may include a data store and may store the results of performed quantum measurements or additional calculations.

当該エラー訂正サブシステムは、実施された測定の結果を使用して、量子ビット102に作用する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。例えば、エラー訂正サブシステム130は量子ゲート・パラメータの適切な調整、例えば、1組の量子ゲート・パラメータの最小化を決定するための、Nelder−Meadアルゴリズムのような数値最適化アルゴリズムを実装してもよい。適切な調整が決定されると、当該エラー訂正サブシステムは、当該調整をフィードバックとして量子ビット102に提供し、それに応じて当該量子ゲートのパラメータを調節してもよい。   The error correction subsystem may optimize the parameters of the quantum gate acting on the qubit 102 using the results of the measurements made. For example, the error correction subsystem 130 implements a numerical optimization algorithm, such as the Nerder-Mead algorithm, to determine the appropriate adjustment of the quantum gate parameters, eg, the minimization of a set of quantum gate parameters. Also good. Once an appropriate adjustment is determined, the error correction subsystem may provide the adjustment as feedback to the qubit 102 and adjust the parameters of the quantum gate accordingly.

図1Bは、例示的なエラー訂正システムにおける量子ビット150の2次元略斜視図である。当該システムが、量子ビット150の2次元アレイを含んでもよい。再度、明確さのため、81個の量子ビットが図1Bに示されているが、当該システムが、かなり大きな数の量子ビット、例えば、何百万もの量子ビットを含んでもよい。量子ビットのアレイが、当該データ量子ビットが当該データ量子ビットの上、下、右、および左に対する4つの近傍の測定量子ビットを有するように、測定量子ビット、例えば、154、156、158、および160とラベル付けされた測定量子ビットとインタリーブされた、データ量子ビット、例えば、152とラベル付けされたデータ量子ビットを含んでもよい。図1Bは、より高い次元への図1のシステム100Aのスケーラビリティを示す。   FIG. 1B is a two-dimensional schematic perspective view of qubit 150 in an exemplary error correction system. The system may include a two-dimensional array of qubits 150. Again, for clarity, 81 qubits are shown in FIG. 1B, but the system may include a fairly large number of qubits, eg, millions of qubits. A measurement qubit, eg, 154, 156, 158, and so on, that the array of qubits has four neighboring measurement qubits for the data qubit above, below, right, and left It may include data qubits, eg, data qubits labeled 152, interleaved with measurement qubits labeled 160. FIG. 1B shows the scalability of the system 100A of FIG. 1 to a higher dimension.

以下の図2Aおよび2Bは、量子ゲート最適化を実施するために使用される例示的なハードウェア・パターンを示す。   FIGS. 2A and 2B below illustrate exemplary hardware patterns used to implement quantum gate optimization.

図2Aは、量子ビットの1次元アレイを含むエラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターン200の1次元略斜視図である。例えば、当該エラー訂正システムは図1Aを参照して上述したように量子ビット102の1次元アレイを含むエラー訂正システムであってもよく、ゲート・クロス・ハッチングはどの測定量子ビットがそのゲートからエラーを検出するかに対応する。   FIG. 2A is a one-dimensional schematic perspective view of an exemplary hardware pattern 200 in an error correction system that includes a one-dimensional array of qubits. For example, the error correction system may be an error correction system that includes a one-dimensional array of qubits 102, as described above with reference to FIG. 1A, and gate cross-hatching means that any measured qubit has an error from its gate. It corresponds to whether to detect.

ハードウェア・パターン200が4つのハードェア・グルーピング206を含んでもよく、その各々は測定量子ビットおよびその量子ビットに対する対応するシングル量子ビット動作を含み、例えば、ハードェア・グルーピング202は測定量子ビット204および対応するシングル量子ビット動作208を含む。ハードウェア・パターン内のグルーピングを独立に動作させてもよい。シングル量子ビット動作208からのエラーは近傍のデータ量子ビットに伝播しなくてもよく、当該測定量子ビットからの相対的な検出フラクションを使用して、図6を参照して以下で説明するようにゲート・パラメータの変化を推論してもよい。   The hardware pattern 200 may include four hardware groupings 206, each including a measurement qubit and a corresponding single qubit operation for that qubit, for example, the hardware grouping 202 includes a measurement qubit 204 and a corresponding Single qubit operations 208 are included. The grouping within the hardware pattern may be operated independently. Errors from a single qubit operation 208 may not propagate to nearby data qubits, using relative detection fractions from the measured qubits, as described below with reference to FIG. Changes in gate parameters may be inferred.

さらに、エラー検出がビット・フリップ・エラーを検出するように設計され、CNOTゲートにより操作される各データ量子ビットがコントロール量子ビットであり、各近傍の測定量子ビットが対応するターゲット量子ビットである場合、ビット・フリップ・エラーは、データ量子ビットおよび測定量子ビットのペアに適用される当該CNOTゲートの方向に起因して、データ量子ビットに伝播しなくてもよい。むしろ、ビット・フリップ・エラーは、特定の測定量子ビットおよびしたがって特定のハードェア・グルーピングに局所化されてもよい。   Furthermore, when error detection is designed to detect bit-flip errors, each data qubit manipulated by the CNOT gate is a control qubit, and each nearby measurement qubit is the corresponding target qubit The bit flip error may not propagate to the data qubit due to the direction of the CNOT gate applied to the data qubit and measurement qubit pair. Rather, the bit flip error may be localized to a specific measurement qubit and thus a specific hardware grouping.

ゲートエラーの局所化のため、測定量子ビットは、1つのハードウェア・パターン200として、個々に完全に並列に最適化されるシングル量子ビット量子ゲート・パラメータを有してもよい。構成により、当該データ量子ビットおよび測定量子ビットが分割されるハードウェア・パターンが、測定量子ビットのみを含むハードェア・グルーピングを含む1つのパターンを含んでもよい。   For gate error localization, the measurement qubit may have a single qubit qugate parameter that is individually optimized in full parallel as one hardware pattern 200. Depending on the configuration, the hardware pattern into which the data qubit and the measurement qubit are divided may include one pattern including a hardware grouping that includes only the measurement qubit.

図2Bは、量子ビットの1次元アレイを含むエラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターン210および220の1次元略斜視図である。例えば、当該エラー訂正システムは図1Aを参照して上述のように量子ビット102の1次元アレイを含むエラー訂正システムであってもよく、ゲート・クロス・ハッチングはどの測定量子ビットがそのゲートからエラーを検出するかに対応する。   FIG. 2B is a one-dimensional schematic perspective view of exemplary hardware patterns 210 and 220 in an error correction system including a one-dimensional array of qubits. For example, the error correction system may be an error correction system that includes a one-dimensional array of qubits 102 as described above with reference to FIG. 1A, and gate cross-hatching means that any measured qubit has an error from its gate. It corresponds to whether to detect.

ハードウェア・パターン210が、複数のハードェア・グルーピング、例えば、ハードェア・グルーピング212を含んでもよく、その各々は、測定およびデータ量子ビットおよびCNOTゲートに対する対応するシングル量子ビット動作に沿って1つのデータ量子ビットおよび高々2つの測定量子ビットを含み、例えば、図2Bに示すように、ハードェア・グルーピング212は測定量子ビット214、シングル量子ビット動作216およびCNOTゲート218および219を含む。ハードウェア・パターン内の当該グルーピングを独立に動作させてもよい。シングル量子ビット動作216およびCNOTゲート218および219からのエラーはハードェア・グルーピング212外部に伝播しなくてもよく、図7および8を参照して以下で説明するように、各ハードェア・グルーピング内の測定量子ビットの検出イベントフラクションを使用して各グルーピング内のゲートに対するゲート・パラメータの変化を推論してもよい。   The hardware pattern 210 may include multiple hardware groupings, eg, hardware groupings 212, each of which corresponds to one data quanta along with corresponding single qubit operations for measurement and data qubits and CNOT gates. For example, as shown in FIG. 2B, the hardware grouping 212 includes a measurement qubit 214, a single qubit operation 216, and CNOT gates 218 and 219. The grouping in the hardware pattern may be operated independently. Errors from the single qubit operation 216 and CNOT gates 218 and 219 do not have to propagate outside the hardware grouping 212 and are measured within each hardware grouping as described below with reference to FIGS. The detection event fraction of qubits may be used to infer changes in gate parameters for the gates in each grouping.

さらに、エラー検出がビット・フリップ・エラーを検出するように設計され、CNOTゲートにより操作される各データ量子ビットがコントロール量子ビットであり、各近傍の測定量子ビットが対応するターゲット量子ビットである場合、ハードウェア・パターン200と異なり、ビット・フリップ・エラーをデータ量子ビットからCNOTゲートを通じて近傍の測定量子ビットにコピーしてもよい。したがって、データ量子ビット上の単一のエラーは近傍の測定量子ビット上の2つの検出イベントを生成してもよく、同一の測定量子ビットまたはデータ量子ビット上でCNOTゲート・パラメータを並列に最適化するのが可能でないかもしれない。当該ハードウェア・パターン、例えば、210および220に自然な制限があってもよい。一般に、ハードウェア・パターンに完全に含まれるCNOTゲートが当該パターンにおいて最適化されてもよい。   Furthermore, when error detection is designed to detect bit-flip errors, each data qubit manipulated by the CNOT gate is a control qubit, and each nearby measurement qubit is the corresponding target qubit Unlike the hardware pattern 200, a bit flip error may be copied from a data qubit to a nearby measurement qubit through a CNOT gate. Thus, a single error on a data qubit may generate two detection events on nearby measurement qubits, optimizing CNOT gate parameters in parallel on the same measurement qubit or data qubit It may not be possible to do. There may be natural limitations on the hardware pattern, eg, 210 and 220. In general, a CNOT gate that is completely contained in a hardware pattern may be optimized in that pattern.

次の最も近傍のデータ量子ビットが同時にそれらのシングル量子ビットパラメータを最適化させる場合、それらは両方ともエラーを同一の測定量子ビットにコピーしてもよい。したがって、エラーは混乱しうる。この問題を回避するために、全ての他のデータ量子ビットが、測定量子ビットへの二重マッピングエラーを回避するように最適化されてもよい。かかる混乱なしに同時にそれらのシングル量子ビットパラメータを最適化できる2つのハードウェア・パターン210および220が生成されてもよく、例えば、互いに相対的なパターン210および220の両方の最適化は本質的に独立である。構成により、当該データ量子ビットおよび測定量子ビットが分割されるハードウェア・パターンが少なくとも1つのパターンを含んでもよく、当該対応するハードェア・グルーピングはデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含む。   If the next nearest data qubits simultaneously optimize their single qubit parameters, they may both copy the error into the same measured qubit. Thus, errors can be confusing. To avoid this problem, all other data qubits may be optimized to avoid double mapping errors to measurement qubits. Two hardware patterns 210 and 220 that can simultaneously optimize their single qubit parameters without such confusion may be generated, for example, optimization of both patterns 210 and 220 relative to each other is essentially Independent. Depending on the configuration, the hardware pattern into which the data qubit and the measurement qubit are divided may include at least one pattern, and the corresponding hardware grouping includes both the data qubit and the measurement qubit.

図2Aおよび2Bに示されたハードウェア・パターン200、210および220は、図1Aに示すような1次元エラー訂正システム内のエラー訂正を実施するために使用できる最小数のハードウェア・パターンを構成する。下記のテーブルは、全てのゲートを並列に最適化するためにインタリーブされうるパターンの数をカウントする。3つのインタリーブされたパターンがあり、各パターンにおいて1つのゲートが並列に最適化されてもよい。この数は、理想的な意味で、即ち、量子ビットが、相互作用すべきではない量子ビットとの任意の寄生相互作用を有さない状態で当該システムが実施されていると仮定して、任意のサイズの反復コードに対して定数であってもよい。当該示されたパターンは最小組のパターンであり、幾つかの実装では、必要に応じてより多くのものを追加してもよい。当該システムに対するかかるハードウェア・パターンを選択することによって、夫々のハードウェア・パターンにおける各ハードェア・グルーピング内のゲート・パラメータが、当該ゲート・パラメータを変更しハードェア・グルーピングごとの測定されたエラー率を最適化することで、最適化されてもよい。さらに、有限個のハードウェア・パターンを選択することによって、エラー検出を実行する量子コンピュータを最適化するために必要な各動作にアクセスしうる。ハードウェア・パターンが選択されると、全てのハードェア・グルーピングを並列に独立に最適化でき、これは任意のサイズの量子コンピュータにおける全ての単一のゲートを最適化するためのO(1)スケーリング戦略である。   The hardware patterns 200, 210, and 220 shown in FIGS. 2A and 2B constitute the minimum number of hardware patterns that can be used to perform error correction in a one-dimensional error correction system as shown in FIG. 1A. To do. The table below counts the number of patterns that can be interleaved to optimize all gates in parallel. There are three interleaved patterns, and one gate in each pattern may be optimized in parallel. This number is ideal in any sense, i.e., assuming that the system is implemented with no parasitic interactions with qubits that should not interact. May be a constant for repetitive codes of the size The pattern shown is a minimal set of patterns, and some implementations may add more as needed. By selecting such a hardware pattern for the system, the gate parameters in each hardware grouping in each hardware pattern will change the gate parameter to yield a measured error rate for each hardware grouping. It may be optimized by optimizing. Further, by selecting a finite number of hardware patterns, each operation necessary to optimize the quantum computer performing error detection can be accessed. Once the hardware pattern is selected, all hardware groupings can be optimized independently in parallel, which is O (1) scaling to optimize all single gates in any size quantum computer It is a strategy.

最適化を要求する3つの別々のパターンがあるが、1つのパターン内に独立に最適化されうる複数の動作がある。ゲート・パラメータを最適化するステップが、図5乃至8を参照して以下でより詳細に説明される。   Although there are three separate patterns that require optimization, there are multiple operations that can be independently optimized within a pattern. The steps of optimizing the gate parameters are described in more detail below with reference to FIGS.

上のテーブルに示され、図2Aおよび2Bを参照して上述したハードウェア・パターンは代表的なパターンであり包括的ではない。特定の回路内のエラー伝播を追跡することで、厳密なパターンおよび各グルーピングを当該システムにカスタマイズでき、決定することができる。例えば、当該ハードウェア・パターンを当該システムソフトウェアで事前に計算する必要はない。幾つかの実装では、当該ハードウェア・パターンを、特定のゲート上のパラメータを変更し、検出イベントの変化が発見された場所を観測することにより決定してもよい。当該特定のゲートの各々におけるパラメータの各々をかかる方式で変更することで、生成された情報を処理し、当該ハードウェア・パターンを決定するために使用してもよい。ハードウェア・パターンを決定するかかる方法はハードウェア非理想性にセンシティブであり、システム性能および効率を高めうる。   The hardware patterns shown in the table above and described above with reference to FIGS. 2A and 2B are exemplary and not comprehensive. By tracking error propagation within a particular circuit, the exact pattern and each grouping can be customized and determined for the system. For example, the hardware pattern need not be calculated in advance by the system software. In some implementations, the hardware pattern may be determined by changing the parameters on a particular gate and observing where the detected event change was found. By changing each of the parameters at each of the particular gates in this manner, the generated information may be processed and used to determine the hardware pattern. Such a method for determining hardware patterns is sensitive to hardware non-idealities and may increase system performance and efficiency.

図3は例示的なエラー訂正システムにおける量子ビットの1次元略斜視図の回路表現である。この簡略化された回路表現では、測定量子ビット304の出力は、3つの入力、即ち、関連付けられた測定量子ビット304に対して1つ、および各近傍のデータ量子ビット302および306に対して1つを有するマルチプレクサ308として動作してもよい。当該データまたは測定ボックス、例えば、データボックス302、306および測定ボックス304のうち1つの出力を直接探索するために、当該マルチプレクサへの入力のうち1つのみを一度に選択してもよい。ここから、図2Aおよび2Bを参照して上述した3つのハードウェア・パターン200、210および220が生ずる。   FIG. 3 is a circuit representation of a one-dimensional schematic perspective view of a qubit in an exemplary error correction system. In this simplified circuit representation, the output of the measurement qubit 304 has three inputs: one for the associated measurement qubit 304 and one for each neighboring data qubit 302 and 306. May operate as a multiplexer 308 having two. Only one of the inputs to the multiplexer may be selected at a time to directly search for the output of the data or measurement box, eg, one of data boxes 302, 306 and measurement box 304. This results in the three hardware patterns 200, 210 and 220 described above with reference to FIGS. 2A and 2B.

図4は、エラー訂正システムにおける例示的なハードウェア・パターンの2次元略斜視図400である。図2Aおよび2Bを参照して上述した同一の分析が当該示されたハードウェア・パターンを生成するためにサーフェスコードに適用されてもよい。当該ハードウェア・パターンが、測定量子ビットを含む1つのハードウェア・パターン404を含んでもよい。残りのハードウェア・パターン406乃至412が、データ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含んでもよい。   FIG. 4 is a two-dimensional schematic perspective view 400 of an exemplary hardware pattern in an error correction system. The same analysis described above with reference to FIGS. 2A and 2B may be applied to the surface code to generate the indicated hardware pattern. The hardware pattern may include one hardware pattern 404 that includes measurement qubits. The remaining hardware patterns 406-412 may include both data qubits and measurement qubits.

図4に示されたハードウェア・パターン404乃至412は、量子ビットの2次元アレイを含むシステムに対するエラー訂正を実施するために使用できる最小数のハードウェア・パターンを構成する。下記のテーブルは、全てのゲートを並列に最適化するようにインタリーブされるパターンの数をカウントする。5つのインタリーブされたパターンがあり、各パターンにおいて1つのゲートが最適化されてもよい。当該示されたパターンは代表的なものであり、最小セットではない。他のパターンが存在し、より複雑であってもよい。当該パターンの数と複雑度は、どの順番で量子ゲートが当該アレイにわたって実行されるかの厳密な詳細に依存する。上述のように、当該システムに対するかかるハードウェア・パターンを選択することによって、夫々のハードウェア・パターンにおける各ハードェア・グルーピング内のゲート・パラメータが、当該ゲート・パラメータを変更しハードェア・グルーピングごとの測定されたエラー率を最適化することで、最適化されてもよい。さらに、有限個のハードウェア・パターンを選択することによって、エラー検出を実行する量子コンピュータを最適化するために要求される各動作にアクセスしうる。ハードウェア・パターンが選択されると、全てのハードェア・グルーピングを独立に並列に最適化することができ、これは任意のサイズの量子コンピュータにおける全ての単一のゲートを最適化するためのO(1)スケーリング戦略である。   The hardware patterns 404-412 shown in FIG. 4 constitute the minimum number of hardware patterns that can be used to implement error correction for a system that includes a two-dimensional array of qubits. The table below counts the number of patterns that are interleaved to optimize all gates in parallel. There are five interleaved patterns, and one gate may be optimized in each pattern. The pattern shown is representative and not a minimal set. Other patterns exist and may be more complex. The number and complexity of the patterns depends on the exact details of how the quantum gates are executed across the array. As described above, by selecting such a hardware pattern for the system, the gate parameters within each hardware grouping in each hardware pattern will change the gate parameter and measure for each hardware grouping. It may be optimized by optimizing the error rate made. Furthermore, by selecting a finite number of hardware patterns, each operation required to optimize the quantum computer performing error detection can be accessed. Once a hardware pattern is selected, all hardware groupings can be optimized independently and in parallel, which is an O (to optimize all single gates in a quantum computer of any size. 1) A scaling strategy.

最適化を要求する5つの別々のパターンがあるが、1つのパターン内に独立に最適化されうる複数の動作がある。ゲート・パラメータを最適化するステップが図5乃至8を参照して以下でより詳細に説明される。   There are five separate patterns that require optimization, but there are multiple operations that can be independently optimized within a pattern. The steps of optimizing the gate parameters are described in more detail below with reference to FIGS.

上のテーブルに示され、図4を参照して上述したハードウェア・パターンは代表的なパターンであり包括的ではない。特定の回路内のエラー伝播を追跡することで、厳密なパターンおよび各グルーピングを当該システムにカスタマイズし、決定することができる。例えば、当該ハードウェア・パターンをシステムのソフトウェアで事前に計算する必要はない。幾つかの実装では、当該ハードウェア・パターンを、特定のゲート上のパラメータを変更し、検出イベントの変化が発見された場所を観測することにより決定してもよい。当該特定のゲートの各々におけるパラメータの各々をかかる方式で変更することで、生成された情報を処理し、当該ハードウェア・パターンを決定するために使用してもよい。ハードウェア・パターンを決定するかかる方法はハードウェア非理想性にセンシティブであり、システム性能および効率を高めうる。   The hardware patterns shown in the table above and described above with reference to FIG. 4 are exemplary and not comprehensive. By tracking error propagation within a particular circuit, the exact pattern and each grouping can be customized and determined for the system. For example, the hardware pattern need not be pre-calculated by the system software. In some implementations, the hardware pattern may be determined by changing the parameters on a particular gate and observing where the detected event change was found. By changing each of the parameters at each of the particular gates in this manner, the generated information may be processed and used to determine the hardware pattern. Such a method for determining hardware patterns is sensitive to hardware non-idealities and may increase system performance and efficiency.

本明細書で説明されたハードウェア・パターンは反復コードを実行する量子ビットの1次元チェーンに対して固有であるが、この技術は大抵のエラー訂正枠組みに汎用化しうる。固定された最大サイズの量子ビットのグループを用いてエラーを検出し、任意の量子ビットが属するグループの数がシステムサイズに対応しない任意の枠組みが、本明細書で説明されたハードェアおよび方法を利用することができる。例えば、当該技術は、サブシステムコードを含む全てのトポロジコード、および最低レベルの連結に着目することで全ての連結されたコードと互換であってもよい。これはサーフェスおよびカラーコード、およびSteaneおよびShorコードを含む。本明細書で説明されたハードェアおよび方法は、システムサイズでのO(1)スケーリングを保存したい場合は、有限レート・ブロック・コードと互換でなくてもよい。ハードウェア・パターンおよびグルーピングを、エラー検出回路をシミュレートするか、または、コントロール・パラメータを物理的に変更し検出フラクションが変化する場所を決定することによって、アルゴリズム的に発見することができる。   Although the hardware patterns described herein are specific to a one-dimensional chain of qubits that execute repetitive code, this technique can be generalized to most error correction frameworks. Any framework that detects errors using a fixed group of maximum size qubits and the number of groups to which any qubit belongs does not correspond to the system size uses the hardware and method described herein. can do. For example, the technology may be compatible with all topology codes, including subsystem code, and all concatenated codes by focusing on the lowest level concatenation. This includes surface and color codes, and Steane and Shor codes. The hardware and methods described herein may not be compatible with finite rate block codes if it is desired to preserve O (1) scaling at system size. Hardware patterns and groupings can be found algorithmically by simulating an error detection circuit or by physically changing the control parameters to determine where the detected fraction changes.

特に、図2Aおよび2B、3および4を、反復コードおよびサーフェスコードに関して説明したが、ゲートから物理測定へのエラー・シグネチャを追跡する方法を、当該反復およびサーフェスコードの外部で適用し、任意の量子回路に適用でき、最適化のためのフィードバックを提供するための方法として使用してもよい。   In particular, FIGS. 2A and 2B, 3 and 4 have been described with respect to iteration code and surface code, but the method of tracking the error signature from the gate to the physical measurement is applied outside of the iteration and surface code, and any Applicable to quantum circuits and may be used as a method for providing feedback for optimization.

その場量子エラー訂正の実施
図5は、エラー訂正を実行している間に量子ゲート・パラメータの連続的な最適化を実施するための例示的なプロセス500の流れ図である。例えば、プロセス500を、図1A乃至1Bおよび図3を参照して上述したシステム100または300によりエラー訂正手続きの間に実施してもよい。プロセス500は自己診断するためのエラー検出を使用し、当該システムが実行している間にコントロール・パラメータの連続的な最適化を可能とし、したがって計算に割り込むことなくシステムドリフトに対抗する。
Performing In Situ Quantum Error Correction FIG. 5 is a flow diagram of an exemplary process 500 for performing continuous optimization of quantum gate parameters while performing error correction. For example, process 500 may be performed during an error correction procedure by system 100 or 300 described above with reference to FIGS. 1A-1B and FIG. Process 500 uses error detection to self-diagnose and allows continuous optimization of control parameters while the system is running, thus countering system drift without interrupting computation.

当該システムはデータ量子ビットおよび測定量子ビットの集合を別々のハードウェア・パターンに空間的に分割する(ステップ502)。当該システムは、それぞれの別々のハードウェア・パターンに帰属可能であるエラーが他の別々のハードウェア・パターンに帰属可能であるエラーと重複しないように、データ量子ビットおよび測定量子ビットの集合を分割する。構成により、当該ハードウェア・パターンが、測定量子ビットを含むグルーピングを有する1つのパターン、およびデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有する2つ以上のパターンを含んでもよい。データ量子ビットおよび測定量子ビットの集合を別々のハードウェア・パターンに分割する構成が、図2Aおよび2Bおよび図4を参照して上でより詳細に説明されている。   The system spatially divides the set of data qubits and measurement qubits into separate hardware patterns (step 502). The system splits the set of data and measurement qubits so that errors that can be attributed to each separate hardware pattern do not overlap with errors that can be attributed to other separate hardware patterns To do. Depending on the configuration, the hardware pattern may include one pattern having a grouping that includes measurement qubits and two or more patterns having a grouping that includes both data qubits and measurement qubits. An arrangement for dividing the set of data qubits and measurement qubits into separate hardware patterns is described in more detail above with reference to FIGS. 2A and 2B and FIG.

当該システムは、測定量子ビットを含むグルーピングを有する各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階に入る(ステップ504)。構成により、データ量子ビットおよび測定量子ビットの集合内の測定量子ビットの各々は、ステップ502で構築されたハードウェア・パターンのうち1つを形成してもよい。例えば、1次元において、当該システムは、図2Aを参照して上述したハードウェア・パターン200内の測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述した、ハードウェア・パターン404内の測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。   The system enters a stage for optimizing the parameters of quantum gates operating on qubits in each hardware pattern having a grouping that includes measurement qubits (step 504). Depending on the configuration, each of the measurement qubits in the set of data qubits and measurement qubits may form one of the hardware patterns constructed in step 502. For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of the quantum gate operating on the measured qubits in the hardware pattern 200 described above with reference to FIG. 2A. In another example, in two dimensions, the system may optimize the parameters of quantum gates operating with measured qubits in hardware pattern 404 described above with reference to FIG.

当該測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータの最適化を実施するステップを、最も単純な最適化段階と考えてもよい。例えば、エラー訂正を反復コードに実施するステップを考慮するとき、当該測定量子ビットはビット・フリップ・エラーを検出してもよい。測定およびデータ量子ビットのペアに適用されるCNOTゲートの方向に起因して、当該ビット・フリップ・エラーは測定量子ビットからデータ量子ビットに伝播しないので、エラーは特定の測定量子ビットに局所化される。測定量子ビットはしたがって、ステップ506および508を参照して以下で説明されるように、1つのハードウェア・パターンとして個々に完全に並列に最適化されるそれらの上で動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを有してもよい。   The step of optimizing the parameters of the quantum gate operating with the measurement qubit may be considered as the simplest optimization stage. For example, when considering the step of performing error correction on the iterative code, the measurement qubit may detect a bit flip error. Due to the direction of the CNOT gate applied to the measurement and data qubit pair, the bit flip error does not propagate from the measurement qubit to the data qubit, so the error is localized to a specific measurement qubit. The The measurement qubits are therefore single qubit qugates operating on them that are individually optimized in full parallel as one hardware pattern, as described below with reference to steps 506 and 508 May have the following parameters.

当該システムは、測定量子ビットで動作する読出しゲートのパラメータの最適化を実施する(ステップ506)。当該測定量子ビットで動作する当該読出しゲートのパラメータの最適化を、ハードウェア・パターン内の測定量子ビットごとに並列に実施してもよい。当該測定量子ビットで動作する当該読出しゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセスが図6を参照して以下で詳細に説明される。   The system performs optimization of the parameters of the read gate operating with the measurement qubit (step 506). Optimization of the parameters of the read gate operating with the measurement qubit may be performed in parallel for each measurement qubit in the hardware pattern. An exemplary process for optimizing the parameters of the read gate operating with the measurement qubit is described in detail below with reference to FIG.

当該システムは、当該測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を実施する(ステップ508)。当該測定量子ビットで動作する当該シングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を、当該ハードウェア・パターン内の測定量子ビットごとに、並列に実施してもよい。当該測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセスが図6を参照して以下で詳細に説明される。   The system optimizes the parameters of a single qubit quantum gate operating with the measurement qubit (step 508). Optimization of the parameters of the single qubit quantum gate operating with the measurement qubit may be performed in parallel for each measurement qubit in the hardware pattern. An exemplary process for optimizing the parameters of a single qubit quantum gate operating with the measurement qubit is described in detail below with reference to FIG.

当該システムは、データ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有する各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階に入る(ステップ510)。構成により、データおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有する各ハードウェア・パターンにおいて、当該データ量子ビットは、ステップ502で構築されたそれらの夫々のハードェア・グルーピングにおいて測定量子ビットを伴ってもよい。例えば、1次元において、当該システムは、図2Bを参照して上述したハードウェア・パターン210および220内のデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述した、ハードウェア・パターン406、408、410および412におけるデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。   The system enters a stage for optimizing parameters of quantum gates operating on qubits in each hardware pattern having a grouping that includes both data qubits and measurement qubits (step 510). Depending on the configuration, in each hardware pattern having a grouping that includes both data and measurement qubits, the data qubits may be accompanied by measurement qubits in their respective hardware groupings constructed in step 502. . For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of a single qubit quantum gate operating with data qubits in hardware patterns 210 and 220 described above with reference to FIG. 2B. In another example, in two dimensions, the system optimizes the parameters of a single qubit quantum gate operating with data qubits in hardware patterns 406, 408, 410 and 412 described above with reference to FIG. May be.

当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を実施するステップは、測定量子ビットで動作する当該シングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を実施するステップよりも複雑であってもよい。例えば、エラー訂正を反復コードに実施するステップを考慮するとき、ビット・フリップ・エラーを、当該データ量子ビットおよび当該測定量子ビットの両方で動作するCNOTゲートを通じてデータ量子ビットから近傍の測定量子ビットにコピーしてもよい。したがって、データ量子ビット上の単一のエラーは、図2Aおよび2Bを参照して上述したように、その近傍の測定量子ビットの各々での出力、または検出イベントを生成してもよい。データ量子ビットは、したがって、次の最も近傍のデータ量子ビットが同時にそれらのシングル量子ビットゲートのパラメータを最適化する場合、それらは両方ともエラーを同一の測定量子ビットにコピーし、エラー混乱を生成しうるので、1つのハードウェア・パターンとして個々に完全に並列に最適化されるそれらで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを有さなくてもよい。その代わり、ステップ512および図6を参照して以下で説明されるように、全ての他のデータ量子ビットが1つのハードウェア・パターンとして並列に最適化され、測定量子ビット上のエラーの二重マッピングを回避してもよい。   The step of optimizing the parameters of the single qubit quantum gate operating with the data qubit is more complex than the step of optimizing the parameters of the single qubit quantum gate operating with the measurement qubit. Also good. For example, when considering the step of performing error correction on a repetitive code, a bit flip error is transferred from a data qubit to a nearby measurement qubit through a CNOT gate operating on both the data qubit and the measurement qubit. You may copy. Thus, a single error on a data qubit may generate an output or detection event at each of its neighboring measurement qubits, as described above with reference to FIGS. 2A and 2B. Data qubits therefore both copy the error to the same measured qubit and generate error confusion if the next nearest data qubit simultaneously optimizes the parameters of their single qubit gate As such, it is not necessary to have the parameters of single qubit quantum gates operating on them that are individually optimized in full parallel as one hardware pattern. Instead, all other data qubits are optimized in parallel as one hardware pattern, as described below with reference to step 512 and FIG. Mapping may be avoided.

当該システムは、データ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有する各ハードウェア・パターンにおいて当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビットゲートのパラメータの最適化を実施する(ステップ512)。各ハードウェア・パターンにおいてデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を各ハードウェア・パターンに対して別々に実施してもよい。しかし、各ハードウェア・パターン内における各グルーピング内のデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータの最適化を当該ハードウェア・パターン内のデータ量子ビットごとに並列に実施してもよい。当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセスが図7を参照して以下で詳細に説明される。   The system performs parameter optimization of a single qubit gate operating on the data qubit in each hardware pattern having a grouping that includes both data qubits and measurement qubits (step 512). Optimization of the parameters of a single qubit quantum gate operating with data qubits in each hardware pattern may be performed separately for each hardware pattern. However, the optimization of the parameters of a single qubit quantum gate that operates with data qubits within each grouping within each hardware pattern may be performed in parallel for each data qubit within the hardware pattern. An exemplary process for optimizing the parameters of a single qubit quantum gate operating with the data qubit is described in detail below with reference to FIG.

データ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータの最適化を実施するステップはまた、エラー混乱に起因して複雑でありうる。データ量子ビット上のエラーは、関与するデータ量子ビットの各側の測定量子ビットに伝播してもよい。したがって、データ量子ビット上のエラーは、図2Bを参照して上述したように、その近傍の測定量子ビットの各々において出力、または検出イベントを生成してもよい。データ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータはしたがって、同一のデータ量子ビットまたは測定量子ビット上で並列に最適化されなくてもよい。これは自然にハードウェア・パターンを、例えば、ステップ510を参照して上述したのと同じものに制限する。エラー混乱を回避するために、単純なルール、即ち、ハードウェア・パターンに完全に含まれるCNOTゲートのみが当該パターンで最適化されてもよいという単純なルールがあってもよい。   The step of performing parameter optimization of a CNOT gate operating on a data qubit and measurement qubit pair can also be complicated due to error confusion. Errors on the data qubit may propagate to the measurement qubit on each side of the data qubit involved. Thus, an error on a data qubit may generate an output or detection event at each of its nearby measurement qubits, as described above with reference to FIG. 2B. The parameters of a CNOT gate operating with a pair of data and measurement qubits may therefore not be optimized in parallel on the same data or measurement qubit. This naturally limits the hardware pattern to the same as described above with reference to step 510, for example. To avoid error confusion, there may be a simple rule, i.e. only CNOT gates that are completely contained in the hardware pattern may be optimized with this pattern.

当該システムは、ハードウェア・パターン内のデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含む各ハードェア・グルーピングにおけるデータ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータの最適化を実施する(ステップ514)。当該ハードウェア・パターンにおけるデータ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータの最適化を各ハードウェア・パターンに対して別々に実施してもよい。さらに、当該システムは、ハードウェア・パターン内の同一の方向を定義するCNOTゲートを選択し、当該ハードウェア・パターン内のデータ量子ビットごとに同一の方向を並列に定義する当該CNOTゲートのパラメータを最適化する。例えば、1次元において、データ量子ビットおよび測定量子ビットを含む各ハードウェア・パターンごとに、当該システムは、まず、当該データ量子ビットの左にあり当該選択されたCNOTゲート・パラメータを並列に最適化する1組のCNOTゲートを選択し、当該データ量子ビットの右にあり当該選択されたCNOTゲート・パラメータを並列に最適化する1組のCNOTゲートを選択してもよい。当該データ量子ビットおよび測定量子ビットで動作するCNOTゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセスが図8を参照して以下で詳細に説明される。   The system performs optimization of parameters of CNOT gates operating on data and measurement qubit pairs in each hardware grouping that includes both data and measurement qubits in the hardware pattern (steps). 514). Optimization of the parameters of the CNOT gate operating on the data qubit and measurement qubit pairs in the hardware pattern may be performed separately for each hardware pattern. Further, the system selects a CNOT gate that defines the same direction in the hardware pattern, and sets the parameter of the CNOT gate that defines the same direction in parallel for each data qubit in the hardware pattern. Optimize. For example, in one dimension, for each hardware pattern that includes data qubits and measurement qubits, the system first optimizes the selected CNOT gate parameter in parallel to the left of the data qubits. A set of CNOT gates may be selected and a set of CNOT gates to the right of the data qubit that optimizes the selected CNOT gate parameters in parallel may be selected. An exemplary process for optimizing the parameters of a CNOT gate operating with the data and measurement qubits is described in detail below with reference to FIG.

明確さのため、エラー訂正を実行している間に量子ゲート・パラメータの連続的な最適化を実施するための例示的なプロセス500の流れ図がステップ504乃至514を参照して説明されている。しかし、ステップ504乃至514の動作が提示された順序で逐次的に実施されることが必要でなくてもよい。当該ステップを異なるシーケンスで実施してもよく、複数回実施してもよい。即ち、必要に応じて、当該シーケンス内の次のステップが実施される前に例えば、幾つかの実装では、当該システムは、測定量子ビットを含む各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階に入る前に、まず、データ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含む各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階に入ってもよい。同様に、例えば、測定量子ビットを含む各ハードウェア・パターン内の量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化するための段階にいったん入ると、当該システムは、最適化ステップ506を実施する前にまず最適化ステップ508を実施してもよい。ステップ506、508、512および514の間で循環することで、即ち、ハードウェア・パターンの間で循環することで、当該システムが実行している間に、全ての量子ビットに対する全てのゲートの全てのパラメータでのシステムドリフトに対抗してもよい。   For clarity, an exemplary process 500 flow diagram for performing continuous optimization of quantum gate parameters while performing error correction is described with reference to steps 504-514. However, the operations of steps 504 through 514 need not be performed sequentially in the order presented. The steps may be performed in different sequences or multiple times. That is, if necessary, before the next step in the sequence is performed, for example, in some implementations, the system operates with qubits operating on qubits in each hardware pattern that includes measurement qubits. Before entering the stage for optimizing the parameters of the gates, first, to optimize the parameters of the quantum gates operating on the qubits in each hardware pattern, including both data qubits and measurement qubits You may enter the stage. Similarly, once the system has entered a stage for optimizing the parameters of a quantum gate that operates with qubits within each hardware pattern including, for example, measurement qubits, the system may perform the optimization step 506 before performing it. First, an optimization step 508 may be performed. By cycling between steps 506, 508, 512 and 514, i.e., cycling between hardware patterns, all of all gates for all qubits while the system is running The system drift may be countered by the parameters.

図6は、測定量子ビットで動作する読出しゲートまたはシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセス600の流れ図である。プロセス600を、図5のステップ506で上述したように読出し量子ゲートのパラメータを最適化するための、または図5のステップ508で上述したようにシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための、図1A乃至1Bおよび図3を参照して上述したシステム100または300により実施してもよい。構成により、図1A乃至1Bおよび図3で説明したデータ量子ビットおよび測定量子ビットの集合内の測定量子ビットの各々は、上で図5を参照してステップ502で構築されたハードウェア・パターンのうち1つを形成する。例えば、1次元において、当該システムは、図2Aを参照して上述したハードウェア・パターン202内の測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートまたはシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述した、ハードウェア・パターン404内の測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。   FIG. 6 is a flow diagram of an example process 600 for optimizing parameters of a read gate or a single qubit qugate operating with measured qubits. Process 600 is for optimizing read quantum gate parameters as described above in step 506 of FIG. 5 or for optimizing single qubit quantum gate parameters as described above in step 508 of FIG. The system 100 or 300 described above with reference to FIGS. 1A-1B and FIG. Depending on the configuration, each of the measurement qubits in the set of data qubits and measurement qubits described in FIGS. 1A-1B and FIG. 3 is represented in the hardware pattern constructed in step 502 above with reference to FIG. One of them is formed. For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of a read quantum gate or a single qubit quantum gate that operates on the measured qubits in the hardware pattern 202 described above with reference to FIG. 2A. In another example, in two dimensions, the system may optimize the parameters of quantum gates operating with measured qubits in hardware pattern 404 described above with reference to FIG.

プロセス600を、対応するハードウェア・パターン内の測定量子ビットごとに並列に実施してもよい。プロセス600は、閉ループフィードバックを使用して測定量子ビットで動作する読出しゲートまたはシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するプロセスを連続的に繰り返してもよい。   Process 600 may be performed in parallel for each measured qubit in the corresponding hardware pattern. Process 600 may continuously repeat the process of optimizing the parameters of a read gate or single qubit qugate operating with measured qubits using closed loop feedback.

並列に、測定量子ビットごとに、当該システムは、エラー最小化に対する対応するメトリックを決定されたエラー率として定義する(ステップ602)。検出イベントのフラクションとも呼ばれる各量子ビットのエラー率を最小化することで、当該量子ゲートエラーを最小化してもよい。シングル測定量子ビットを含むハードウェア・パターンのケースにおいて、エラー最小化に対するメトリックはその量子ビットに対する検出イベントのフラクションであってもよい。図2Aおよび4に示すもののような、複数の測定量子ビットを含むハードウェア・パターンのケースでは、エラー最小化に対する当該メトリックは、全ての測定量子ビットに対して取られる検出イベントの平均フラクションである。   In parallel, for each measured qubit, the system defines the corresponding metric for error minimization as the determined error rate (step 602). The quantum gate error may be minimized by minimizing the error rate of each qubit, also called a detection event fraction. In the case of a hardware pattern that includes a single measurement qubit, the metric for error minimization may be a fraction of detection events for that qubit. In the case of hardware patterns that include multiple measured qubits, such as those shown in FIGS. 2A and 4, the metric for error minimization is the average fraction of detection events taken for all measured qubits. .

並列に、測定量子ビットごとに、当該システムは当該測定量子ビットを測定して現在のエラー率を決定する(ステップ604)。   In parallel, for each measured qubit, the system measures the measured qubit to determine the current error rate (step 604).

当該システムは決定されたエラー率を格納する(ステップ606)。当該システムは、エラー率の変化が長時間にわたって監視され、量子ゲート・パラメータに加えられた変更と相関付けられるように、プロセス600の反復ごとの当該決定されたエラー率を格納する。   The system stores the determined error rate (step 606). The system stores the determined error rate for each iteration of process 600 so that changes in error rate are monitored over time and correlated with changes made to the quantum gate parameters.

当該システムは、当該決定された現在のエラー率および以前の反復からの格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算する(ステップ608)。測定出力、または検出イベント、および測定量子ビットに対する状態の測定されたパターンの変化は、データ量子ビットまたは測定量子ビット上に関わらず、近傍のエラーの存在を示してもよい。しかし、検出イベント自体は測定量子ビットまたはデータ量子ビット上のエラーに直接相関しなくてもよい。したがって、エラーの変化をゲート・パラメータの変化と相関付けるために、局所化された検出イベントフラクションの変化、即ち、エラー率をゲート・パラメータの変化と比較してもよい。   The system calculates the change in error rate between the determined current error rate and the stored error rate from the previous iteration (step 608). A measured output, or detection event, and a change in the measured pattern of states relative to the measurement qubit may indicate the presence of a nearby error, regardless of the data qubit or measurement qubit. However, the detection event itself may not directly correlate to errors on the measurement qubits or data qubits. Thus, in order to correlate the change in error with the change in gate parameter, the change in localized detection event fraction, ie the error rate, may be compared with the change in gate parameter.

並列に、測定量子ビットごとに、当該システムは、エラー率の計算された変化に基づいて読出しゲート・パラメータ、またはシングル量子ビット量子ゲート・パラメータを調節する(ステップ610)。当該システムは、Nelder−Mead方法のような数値最適化アルゴリズムを、ステップ608で計算されたエラー率の変化に基づいて適用して、当該読出しゲート・パラメータまたはシングル量子ビット量子ゲート・パラメータに行うための調整を決定してもよい。   In parallel, for each measured qubit, the system adjusts the read gate parameter, or single qubit qugate parameter, based on the calculated change in error rate (step 610). The system applies a numerical optimization algorithm, such as the Nelder-Mead method, to the read gate parameter or single qubit quantum gate parameter, based on the change in error rate calculated in step 608. The adjustment may be determined.

当該システムは上述のステップ602乃至610を連続的に繰り返してもよい。原則として、ゲートエラーに関連付けられた物理プロセスに関するより多くの情報を取得するために、測定値Xおよび測定値Yの量子ビットを区別することが可能であってもよく、この情報を当該量子ゲートをより効率的に最適化するために当該システムにフィードバックしてもよい。   The system may continuously repeat steps 602 through 610 described above. In principle, in order to obtain more information about the physical process associated with the gate error, it may be possible to distinguish between the measured value X and the measured value Y qubit, and this information May be fed back to the system to optimize it more efficiently.

図7は、データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセス700の流れ図である。プロセス700を、図5のステップ512で上述したように当該シングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化するための、図1A乃至1Bおよび図3を参照して上述したシステム100または300により実施してもよい。当該プロセスを、上の図5を参照してステップ502で構築したデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有するハードウェア・パターンごとに実施してもよい。例えば、1次元において、当該システムは、図2Bを参照して上述したハードウェア・パターン210および220内のデータ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述したハードウェア・パターン406、408、410および412において測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。   FIG. 7 is a flow diagram of an example process 700 for optimizing the parameters of a single qubit qugate operating with data qubits. Process 700 is performed by system 100 or 300 described above with reference to FIGS. 1A-1B and FIG. 3 for optimizing the parameters of the single qubit quantum gate as described above in step 512 of FIG. Also good. The process may be performed for each hardware pattern having a grouping that includes both data qubits and measurement qubits constructed in step 502 with reference to FIG. 5 above. For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of a single qubit quantum gate operating with data qubits in hardware patterns 210 and 220 described above with reference to FIG. 2B. In another example, in two dimensions, the system may optimize the parameters of quantum gates operating with measured qubits in hardware patterns 406, 408, 410 and 412 described above with reference to FIG.

プロセス700を、対応するハードウェア・パターンにおけるデータ量子ビットごとに並列に実施してもよい。プロセス700は、閉ループフィードバックを使用して当該データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを最適化する連続的に繰り返されるプロセスであってもよい。   Process 700 may be performed in parallel for each data qubit in the corresponding hardware pattern. Process 700 may be a continuously repeated process that uses closed loop feedback to optimize the parameters of a single qubit qugate operating on the data qubit.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは、エラー最小化に対する対応するメトリックを決定されたエラー率として定義する(ステップ702)。検出イベントのフラクションとも呼ばれる各量子ビットのエラー率を最小化することで、量子ゲートエラーを最小化してもよい。図2Bおよび4に示すもののような、複数の測定量子ビットを含むグルーピングを有するハードウェア・パターンのこのケースにおいて、エラー最小化に対する当該メトリックは全ての測定量子ビットに対して取られる検出イベントの平均フラクションであってもよい。   In parallel, for each data qubit, the system defines the corresponding metric for error minimization as the determined error rate (step 702). The quantum gate error may be minimized by minimizing the error rate of each qubit, also referred to as a detection event fraction. In this case of a hardware pattern having a grouping that includes multiple measured qubits, such as those shown in FIGS. 2B and 4, the metric for error minimization is the average of the detection events taken for all measured qubits It may be a fraction.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは当該対応する近傍の測定量子ビットを測定しては現在のエラー率を決定する(ステップ704)。例えば、1次元システムにおいて、当該システムは少なくとも2つの対応する測定量子ビットを測定してもよい。例えば、2次元システムにおいて、当該システムは少なくとも4つの対応する測定量子ビットを測定してもよい。   In parallel, for each data qubit, the system measures the corresponding neighboring measurement qubit to determine the current error rate (step 704). For example, in a one-dimensional system, the system may measure at least two corresponding measurement qubits. For example, in a two-dimensional system, the system may measure at least four corresponding measurement qubits.

当該システムは決定されたエラー率を格納する(ステップ706)。当該システムは、エラー率の変化を長時間にわたって監視し、当該量子ゲート・パラメータに加えられた変更と相関付けうるように、当該決定されたプロセス700の反復ごとのエラー率を格納する。   The system stores the determined error rate (step 706). The system monitors error rate changes over time and stores the determined error rate for each iteration of the process 700 so that it can be correlated with changes made to the quantum gate parameters.

当該システムは、決定された現在のエラー率および以前の反復からの格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算する(ステップ708)。測定出力、または検出イベント、および測定量子ビットに対する状態の測定されたパターンの変化は、データ量子ビットまたは測定量子ビット上に関わらず、近傍のエラーの存在を示してもよい。しかし、検出イベント自体は測定量子ビットまたはデータ量子ビット上のエラーに直接相関しなくてもよい。したがって、エラーの変化をゲート・パラメータの変化と相関付けるために、局所化された検出イベントフラクションの変化、即ち、エラー率をゲート・パラメータの変化と比較してもよい。   The system calculates a change in error rate between the determined current error rate and the stored error rate from the previous iteration (step 708). A measured output, or detection event, and a change in the measured pattern of states relative to the measurement qubit may indicate the presence of a nearby error, regardless of the data qubit or measurement qubit. However, the detection event itself may not directly correlate to errors on the measurement qubits or data qubits. Thus, in order to correlate the change in error with the change in gate parameter, the change in localized detection event fraction, ie the error rate, may be compared with the change in gate parameter.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは、エラー率の計算された変化に基づいてシングル量子ビットゲートのパラメータを調節する(ステップ710)。当該システムは、ステップ708で計算されたエラー率の変化に基づいて、Nelder−Mead方法のような数値最適化アルゴリズムを適用して、当該シングル量子ビット量子ゲート・パラメータに行われるべき調整を決定してもよい。   In parallel, for each data qubit, the system adjusts the parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate (step 710). Based on the error rate change calculated in step 708, the system applies a numerical optimization algorithm such as the Nelder-Mead method to determine the adjustment to be made to the single qubit quantum gate parameter. May be.

当該システムは上述のステップ702乃至710を連続的に繰り返してもよい。原則として、当該ゲートエラーに関連付けられた物理プロセスに関するより多くの情報を取得するために、測定値Xおよび測定値Yの量子ビットを区別することが可能であってもよく、この情報を、当該量子ゲートをより効率的に最適化するために当該システムにフィードバックしてもよい。   The system may repeat steps 702 to 710 described above continuously. In principle, in order to obtain more information about the physical process associated with the gate error, it may be possible to distinguish between the measurement X and the measurement Y qubit, Feedback may be provided to the system to optimize the quantum gate more efficiently.

図8は、データ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータを最適化するための例示的なプロセス800の流れ図である。プロセス800を、図5の514ステップで上述したようにCNOTゲートのパラメータを最適化するための、図1A乃至1Bおよび図3を参照して上述したシステム100または300により実施してもよい。上の図5を参照してステップ502で構築されたデータ量子ビットおよび測定量子ビットの両方を含むグルーピングを有するハードウェア・パターンごとに、当該プロセスを実施してもよい。例えば、1次元において、当該システムは、図2Bを参照して上述したハードウェア・パターン210および220におけるデータ量子ビットおよび測定量子ビットのペアで動作するCNOTゲートのパラメータを最適化してもよい。別の例では、2次元において、当該システムは、図4を参照して上述したハードウェア・パターン406乃至412における測定量子ビットで動作する量子ゲートのパラメータを最適化してもよい。   FIG. 8 is a flow diagram of an example process 800 for optimizing the parameters of a CNOT gate operating with a data qubit and measurement qubit pair. Process 800 may be implemented by system 100 or 300 described above with reference to FIGS. 1A-1B and FIG. 3 for optimizing CNOT gate parameters as described above in step 514 of FIG. The process may be performed for each hardware pattern having a grouping that includes both data qubits and measurement qubits constructed in step 502 with reference to FIG. 5 above. For example, in one dimension, the system may optimize the parameters of the CNOT gate operating on the data and measurement qubit pairs in the hardware patterns 210 and 220 described above with reference to FIG. 2B. In another example, in two dimensions, the system may optimize the parameters of quantum gates operating with measured qubits in hardware patterns 406-412 described above with reference to FIG.

当該CNOTゲートが動作するデータ量子ビットに関して同一の方向を定義する対応するハードウェア・パターンに完全に含まれるCNOTゲートごとにプロセス800を並列に実施してもよい。プロセス800は、閉ループフィードバックを使用して当該CNOTゲートのパラメータを最適化する、連続的に繰り返されるプロセスであってもよい。   The process 800 may be performed in parallel for each CNOT gate that is completely contained in the corresponding hardware pattern that defines the same direction with respect to the data qubit on which the CNOT gate operates. Process 800 may be a continuously repeated process that uses closed loop feedback to optimize the parameters of the CNOT gate.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは、エラー最小化に対する対応するメトリックを決定されたエラー率として定義する(ステップ802)。検出イベントのフラクションとも呼ばれる各量子ビットのエラー率を最小化することで、量子ゲートエラーを最小化してもよい。これらの図2Bおよび4で示したものような、複数の測定量子ビットを含むグルーピングを有するハードウェア・パターンのこのケースにおいて、エラー最小化に対する当該メトリックは、全ての測定量子ビットに対して取られる検出イベントの平均フラクションであってもよい。   In parallel, for each data qubit, the system defines the corresponding metric for error minimization as the determined error rate (step 802). The quantum gate error may be minimized by minimizing the error rate of each qubit, also referred to as a detection event fraction. In this case of a hardware pattern with a grouping that includes multiple measurement qubits, such as those shown in FIGS. 2B and 4, the metric for error minimization is taken for all measurement qubits. It may be an average fraction of detection events.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは対応する近傍の測定量子ビットを測定して現在のエラー率を決定する(ステップ804)。例えば、1次元システムにおいて、当該システムは少なくとも2つの対応する測定量子ビットを測定してもよい。例えば、2次元システムにおいて、当該システムは少なくとも4つの対応する測定量子ビットを測定してもよい。   In parallel, for each data qubit, the system measures the corresponding neighboring measurement qubit to determine the current error rate (step 804). For example, in a one-dimensional system, the system may measure at least two corresponding measurement qubits. For example, in a two-dimensional system, the system may measure at least four corresponding measurement qubits.

当該システムは当該決定されたエラー率を格納する(ステップ806)。当該システムは、エラー率の変化を長時間にわたって監視し、量子ゲート・パラメータに加えられた変更と相関付けうるように、プロセス800の反復ごとの決定されたエラー率を格納する。   The system stores the determined error rate (step 806). The system monitors the change in error rate over time and stores the determined error rate for each iteration of process 800 so that it can be correlated with changes made to the quantum gate parameters.

当該システムは、決定された現在のエラー率および以前の反復からの格納されたエラー率との間のエラー率の変化を計算する(ステップ808)。測定出力、または検出イベント、および測定量子ビットに対する状態の測定されたパターンの変化は、データ量子ビットまたは測定量子ビット上に関わらず、近傍のエラーの存在を示してもよい。しかし、検出イベント自体は測定量子ビットまたはデータ量子ビット上のエラーに直接相関しなくてもよい。したがって、エラーの変化をゲート・パラメータの変化と相関付けるために、局所化された検出イベントフラクションの変化、即ち、エラー率をゲート・パラメータの変化と比較してもよい。   The system calculates the change in error rate between the determined current error rate and the stored error rate from the previous iteration (step 808). A measured output, or detection event, and a change in the measured pattern of states relative to the measurement qubit may indicate the presence of a nearby error, regardless of the data qubit or measurement qubit. However, the detection event itself may not directly correlate to errors on the measurement qubits or data qubits. Thus, in order to correlate the change in error with the change in gate parameter, the change in localized detection event fraction, ie the error rate, may be compared with the change in gate parameter.

並列に、データ量子ビットごとに、当該システムは、エラー率の計算された変化に基づいてCNOTゲート・パラメータを調節する(ステップ810)。当該システムは、ステップ808で計算されたエラー率の変化に基づいて、Nelder−Mead方法のような数値最適化アルゴリズムを適用して、当該CNOT量子ゲート・パラメータに行われる調整を決定してもよい。   In parallel, for each data qubit, the system adjusts the CNOT gate parameter based on the calculated change in error rate (step 810). The system may apply a numerical optimization algorithm such as the Nelder-Mead method based on the error rate change calculated in step 808 to determine the adjustment to be made to the CNOT quantum gate parameter. .

当該システムは上述のステップ802乃至810を連続的に繰り返してもよい。原則として、ゲートエラーに関連付けられた物理プロセスに関するより多くの情報を取得するために、測定値Xおよび測定値Yの量子ビットを区別することが可能であってもよく、この情報を、量子ゲートをより効率的に最適化するために当該システムにフィードバックしてもよい。   The system may continuously repeat steps 802 through 810 described above. In principle, in order to obtain more information about the physical process associated with the gate error, it may be possible to distinguish between the measurement X and the measurement Y qubit, May be fed back to the system to optimize it more efficiently.

本明細書で説明されたデジタルおよび/または量子の主題およびデジタル機能の動作および量子動作の実装を、デジタル電子回路、適切な量子回路または、より一般的に、量子計算システムで、有形に具現化されたデジタルおよび/または量子コンピュータソフトウェアまたはファームウェアで、当該本明細書で開示された構造を含むデジタルおよび/または量子コンピュータハードウェアで、およびそれらの構造的な均等物で、またはそれらの1つまたは複数の組合せで実装することができる。「量子計算システム」という用語が、量子コンピュータ、量子情報処理システム、量子暗号理論システム、または量子シミュレータを含んでもよいがこれらに限定されない。   Implementation of digital and / or quantum subject and digital function operations and quantum operations described herein tangibly in digital electronic circuits, suitable quantum circuits, or more generally quantum computing systems Digital and / or quantum computer software or firmware, digital and / or quantum computer hardware including the structures disclosed herein, and their structural equivalents, or one of them Multiple combinations can be implemented. The term “quantum computing system” may include, but is not limited to, a quantum computer, a quantum information processing system, a quantum cryptography system, or a quantum simulator.

本明細書で説明したデジタルおよび/または量子の主題の実装を、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータプログラム、即ち、データ処理装置により実行するためのまたはその動作を制御するための有形非一時的記憶媒体で符号化されたデジタルおよび/または量子コンピュータプログラム命令の1つまたは複数のモジュールとして実装することができる。当該デジタルおよび/または量子コンピュータ記憶媒体は、マシン可読記憶デバイス、マシン可読記憶基板、ランダムまたはシリアル・アクセス・メモリデバイス、1つまたは複数の量子ビット、またはそれらの1つまたは複数の組合せであることができる。あるいはまたはさらに、当該プログラム命令を、デジタルおよび/または量子情報を符号化しうる人工的に生成された伝播信号、例えば、デジタルおよび/または量子データ処理装置により実行するための適切な受信機装置に送信するための情報を符号化するために生成されたマシン生成された電気的、光学的、または電磁気信号で符号化されることができる。   An implementation of the digital and / or quantum subject matter described herein for execution by one or more digital and / or quantum computer programs, ie, data processing devices, or for controlling its operation It can be implemented as one or more modules of digital and / or quantum computer program instructions encoded in a temporary storage medium. The digital and / or quantum computer storage medium is a machine-readable storage device, a machine-readable storage substrate, a random or serial access memory device, one or more qubits, or one or more combinations thereof Can do. Alternatively or additionally, the program instructions are transmitted to an artificially generated propagated signal capable of encoding digital and / or quantum information, eg, a suitable receiver device for execution by a digital and / or quantum data processing device It can be encoded with a machine-generated electrical, optical, or electromagnetic signal generated to encode the information to do.

量子情報および量子データという用語は量子システムにより運搬されそれに保持または格納された情報またはデータを指し、当該最小非自明システムは量子ビット、即ち、量子情報のユニットを定義するシステムである。「量子ビット」という用語は、当該対応するコンテキストにおいて2レベルシステムとして適切に近似されうる全ての量子システムを包含することは理解される。かかる量子システムが、例えば、2つ以上のレベルを有するマルチレベルシステムを含んでもよい。例として、かかるシステムは原子、電子、光子、イオンまたは超電導量子ビットを含むことができる。多数の実装において、当該計算基本状態は、基底状態および第1の励起された状態で識別されるが、当該計算状態がより高レベル励起された状態で識別される他の構成が可能であることは理解される。「データ処理装置」という用語はデジタルおよび/または量子データ処理ハードウェアを指し、例としてプログラム可能デジタルプロセッサ、プログラム可能量子プロセッサ、デジタルコンピュータ、量子コンピュータ、複数のデジタルおよび量子プロセッサまたはコンピュータ、およびそれらの組合せを含む、処理のためにデジタルおよび/または量子データを処理するための全ての種類の装置、デバイス、およびマシンを包含する。当該装置はさらに、特定の量子システムに関する情報をシミュレートまたは生成するように設計された、特殊目的論理回路、例えば、FPGA(フィールドプログラム可能ゲートアレイ)、ASIC(特殊用途向け集積回路)、または量子シミュレータ、即ち、量子データ処理装置であることができるかまたはそれを含むことができる。特に、量子シミュレータは、普遍的量子計算を実施するための能力を有さない特殊目的量子コンピュータである。当該装置は場合によっては、ハードウェアに加えて、デジタルおよび/または量子コンピュータプログラム、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコル・スタック、データベース管理システム、オペレーティング・システム、またはそれらの1つまたは複数の組合せを構成するコードに対する実行環境を生成するコードを含むことができる。   The terms quantum information and quantum data refer to information or data carried by and held in or stored in a quantum system, where the least non-obvious system is a system that defines qubits, ie units of quantum information. It is understood that the term “quantum bit” encompasses all quantum systems that can be adequately approximated as a two-level system in the corresponding context. Such quantum systems may include, for example, multilevel systems having more than one level. By way of example, such a system can include atoms, electrons, photons, ions, or superconducting qubits. In many implementations, the calculated fundamental state is identified by the ground state and the first excited state, but other configurations are possible where the calculated state is identified by a higher level excited state. Is understood. The term “data processing apparatus” refers to digital and / or quantum data processing hardware such as programmable digital processors, programmable quantum processors, digital computers, quantum computers, multiple digital and quantum processors or computers, and their Includes all types of apparatus, devices, and machines for processing digital and / or quantum data for processing, including combinations. The apparatus further includes a special purpose logic circuit, such as an FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC (Special Purpose Integrated Circuit), or quantum, designed to simulate or generate information about a particular quantum system. It can be or include a simulator, ie a quantum data processing device. In particular, the quantum simulator is a special purpose quantum computer that does not have the ability to perform universal quantum computation. In some cases, the device constitutes, in addition to hardware, a digital and / or quantum computer program, eg, processor firmware, protocol stack, database management system, operating system, or one or more combinations thereof It can contain code that generates an execution environment for the code.

デジタルコンピュータプログラムはまた、プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、モジュール、ソフトウェアモジュール、スクリプト、またはコードと称するかまたはそれとして説明されてもよく、コンパイル型またはインタプリタ型言語、または宣言型または手続型言語を含む任意の形態のプログラミング言語で書かれることができ、スタンドアロンプログラムまたはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、またはデジタルコンピューティング環境で使用するのに適した他のユニットを含む任意の形態で展開されることができる。量子コンピュータプログラムはまた、プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、モジュール、ソフトウェアモジュール、スクリプト、またはコードと称するかまたはそれとして説明されてもよく、コンパイル型またはインタプリタ型言語、または宣言型または手続型言語を含む任意の形態のプログラミング言語で書かれることができ、適切な量子プログラミング言語に変換でき、または、量子プログラミング言語、例えば、QCLまたはQuipperで書くことができる。   A digital computer program may also be referred to or described as a program, software, software application, module, software module, script, or code, and includes a compiled or interpreted language, or a declarative or procedural language It can be written in any form of programming language and can be deployed in any form including a stand-alone program or module, component, subroutine, or other unit suitable for use in a digital computing environment. A quantum computer program may also be referred to or described as a program, software, software application, module, software module, script, or code, including a compiled or interpreted language, or a declarative or procedural language It can be written in any form of programming language, can be converted to a suitable quantum programming language, or can be written in a quantum programming language such as QCL or Quiper.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムはファイルシステム内のファイルに対応してもよいがその必要はない。プログラムを、他のプログラムまたはデータを保持するファイルの一部、例えば、マークアップ言語ドキュメントで、問題となっているプログラム専用の単一のファイルで、または複数の協調ファイルで格納された1つまたは複数のスクリプト、例えば、1つまたは複数のモジュールを格納するファイル、サブプログラム、またはコードの部分に格納することができる。デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムを、1つのサイトに配置するかまたはデジタルおよび/または量子データ通信ネットワークによって相互接続された複数のサイトわたって分散される、1つのデジタルまたは1つの量子コンピュータ上でまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータ上で実行するように展開することができる。量子データ通信ネットワークは、量子システム、例えば、量子ビットを用いて量子データを送信しうるネットワークであると理解される。一般的に、デジタルデータ通信ネットワークは量子データを送信できないが、量子データ通信ネットワークは量子データおよびデジタルデータの両方を送信しうる。   A digital and / or quantum computer program may correspond to a file in the file system, but need not. One or more programs stored in another program or part of a file holding data, eg, a markup language document, in a single file dedicated to the program in question, or in multiple collaborative files Multiple scripts can be stored in a file, subprogram, or code portion that stores one or more modules, for example. On one digital or one quantum computer where the digital and / or quantum computer program is located at one site or distributed across multiple sites interconnected by a digital and / or quantum data communications network or It can be deployed to run on multiple digital and / or quantum computers. A quantum data communication network is understood to be a quantum system, eg, a network that can transmit quantum data using qubits. In general, a digital data communication network cannot transmit quantum data, but a quantum data communication network can transmit both quantum data and digital data.

本明細書で説明したプロセスおよび論理フローを、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子プロセッサで動作し、必要に応じて、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータプログラムを実行して入力デジタルおよび量子データで動作して出力を生成することで機能を実施する、1つまたは複数のプログラム可能デジタルおよび/または量子コンピュータにより実施することができる。当該プロセスおよび論理フローはまた、特殊目的論理回路、例えば、FPGAまたはASIC、または量子シミュレータにより、またはの組合せ特殊目的論理回路または量子シミュレータおよび1つまたは複数のプログラムされたデジタルおよび/または量子コンピュータにより実施でき、装置をそれらとして実装することもできる。   The processes and logic flows described herein operate on one or more digital and / or quantum processors and optionally execute one or more digital and / or quantum computer programs to input digital And can be implemented by one or more programmable digital and / or quantum computers that perform functions by operating on quantum data and generating output. The process and logic flow can also be performed by special purpose logic circuits, such as FPGA or ASIC, or quantum simulators, or by a combination special purpose logic circuit or quantum simulator and one or more programmed digital and / or quantum computers. It can be implemented and the device can be implemented as them.

1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータのシステムが特定の動作またはアクションを実施する「ように構成される」ことは、当該システムは、動作において当該システムに当該動作またはアクションを実施させるソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの組合せをインストールしていることを意味する。1つまたは複数のデジタルおよび/または量子コンピュータプログラムを、特定の動作またはアクションを実施するように構成することは、当該1つまたは複数のプログラムが、デジタルおよび/または量子データ処理装置により実行されたとき、当該装置に当該動作またはアクションを実施させる命令を含むことを意味する。量子コンピュータは、当該量子コンピューティング装置により実行されたとき、当該装置に当該動作またはアクションを実施させる命令をデジタルコンピュータから受信してもよい。   That one or more digital and / or quantum computer systems are “configured to” perform a particular operation or action means that the system is software that, in operation, causes the system to perform the operation or action; It means installing firmware, hardware, or a combination of both. Configuring one or more digital and / or quantum computer programs to perform a particular operation or action means that the one or more programs are executed by a digital and / or quantum data processing device. Sometimes means including instructions that cause the device to perform the action or action. When executed by the quantum computing device, the quantum computer may receive instructions from the digital computer that cause the device to perform the operation or action.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラムの実行に適したデジタルおよび/または量子コンピュータは、汎用目的または特殊目的デジタルおよび/または量子プロセッサまたはその両方、または任意の他種の中央デジタルおよび/または量子処理ユニットに基づくことができる。一般的に、中央デジタルおよび/または量子処理ユニットは、量子データ、例えば、光子、またはそれらの組合せを送信するのに適した読取専用メモリ、ランダム・アクセスメモリ、または量子システムから命令およびデジタルおよび/または量子データを受信する。   A digital and / or quantum computer suitable for executing a digital and / or quantum computer program may be a general purpose or special purpose digital and / or quantum processor or both, or any other kind of central digital and / or quantum processing unit. Can be based. In general, the central digital and / or quantum processing unit may receive instructions and digital and / or digital read-only memory, random access memory, or quantum systems suitable for transmitting quantum data, eg, photons, or combinations thereof. Alternatively, quantum data is received.

デジタルおよび/または量子コンピュータの本質的な要素は、命令を実施または実行するための中央演算装置および命令およびデジタルおよび/または量子データを格納するための1つまたは複数のメモリデバイスである。当該中央演算装置および当該メモリは特殊目的論理回路により補完するかまたは当該回路または量子シミュレータに組み込むことができる。一般的に、デジタルおよび/または量子コンピュータはまた、量子システムデジタルおよび/または量子データを送受信するために、1つまたは複数の大容量記憶デバイス、例えば、量子情報を格納するのに適した磁気、光磁気ディスク、光ディスクを含むかまたはそれらに動作可能に接続されてもよい。しかし、デジタルおよび/または量子コンピュータはかかるデバイスを有する必要はない。   The essential elements of a digital and / or quantum computer are a central processing unit for executing or executing instructions and one or more memory devices for storing instructions and digital and / or quantum data. The central processing unit and the memory can be supplemented by a special purpose logic circuit or incorporated into the circuit or quantum simulator. In general, a digital and / or quantum computer also includes one or more mass storage devices, eg, a magnetic suitable for storing quantum information, to transmit and receive quantum system digital and / or quantum data. It may include or be operably connected to a magneto-optical disk, an optical disk. However, digital and / or quantum computers need not have such devices.

デジタルおよび/または量子コンピュータプログラム命令およびデジタルおよび/または量子データを格納するのに適したデジタルおよび/または量子コンピュータ可読媒体は、例として半導体メモリデバイス、例えば、EPROM、EEPROM、およびフラッシュ・メモリデバイス、磁気ディスク、例えば、内部ハード・ディスクまたは取外し可能ディスク、磁気−光ディスク、CD−ROMおよびDVD−ROMディスク、および量子システム、例えば、トラップされた原子または電子を含む、全ての形態の不揮発性デジタルおよび/または量子メモリ、媒体およびメモリデバイスを含む。量子メモリが、ハイ・フィデリティおよび効率で長期間量子データを格納できるデバイス、例えば、光が送信に使用され物質が重ね合わせまたは量子コヒーレンスのような量子データの量子特徴を記憶し保存する光物質(light−matter)インタフェースであることは理解される。   Digital and / or quantum computer readable media suitable for storing digital and / or quantum computer program instructions and digital and / or quantum data include, by way of example, semiconductor memory devices, eg, EPROM, EEPROM, and flash memory devices, Magnetic disks, such as internal hard disks or removable disks, magneto-optical disks, CD-ROM and DVD-ROM disks, and quantum systems, such as all forms of non-volatile digital and including trapped atoms or electrons And / or quantum memory, media and memory devices. Quantum memory is a device that can store quantum data for long periods of time with high fidelity and efficiency, for example, optical materials that store and store quantum features of quantum data such as light being used for transmission and superposition or quantum coherence It is understood that this is a light-matter interface.

本明細書で説明された様々なシステムまたはそれらの部分の制御を、1つまたは複数の非一時的マシン可読記憶媒体に格納され、1つまたは複数のデジタルおよび/または量子処理デバイスで実行可能な命令を含む、デジタルおよび/または量子コンピュータプログラム製品で実装することができる。本明細書で説明されたシステム、またはそれらの部分をそれぞれ、本明細書で説明された動作を実装するための実行可能命令を格納する1つまたは複数のデジタルおよび/または量子処理デバイスおよびメモリを含みうる装置、方法、またはシステムとして実装することができる。   Control of the various systems described herein, or portions thereof, can be stored in one or more non-transitory machine-readable storage media and performed on one or more digital and / or quantum processing devices. It can be implemented in a digital and / or quantum computer program product that includes instructions. One or more digital and / or quantum processing devices and memory that store executable instructions for implementing the operations described herein, respectively, for the systems described herein, or portions thereof. It can be implemented as an apparatus, method or system that can be included.

本明細書は多数の具体的な実装詳細を含むが、これらはクレームされうるもの範囲への制限として解釈されるべきではなく、特定の実装に固有でありうる特徴の説明として解釈されるべきである。別々の実装の文脈で本明細書で説明した特定の特徴をまた、単一の実装における組合せで実装することができる。反対に、単一の実装の文脈で説明された様々な特徴をまた、複数の実装で別々にまたは任意の適切な部分的組合せで実装することができる。さらに、特徴は特定の組合せで動作するように上述され最初にそのようにクレームされているかもしれないが、クレームされた組合せからの1つまたは複数の特徴を幾つかのケースでは当該組合せから実施してもよく当該クレームされた組合せは部分的組合せまたは部分的組合せの変形に関連してもよい。   This specification includes a number of specific implementation details, which should not be construed as limitations on the scope of what can be claimed, but as descriptions of features that may be specific to a particular implementation. is there. Certain features that are described in this specification in the context of separate implementations can also be implemented in combination in a single implementation. Conversely, various features that are described in the context of a single implementation can also be implemented in multiple implementations separately or in any suitable subcombination. Moreover, although features may be described above and initially so claimed to operate in a particular combination, one or more features from the claimed combination may be implemented from that combination in some cases. The claimed combinations may be related to partial combinations or variations of partial combinations.

同様に、動作を図面において特定の順序で説明したが、これは、所望の結果を実現するために、かかる動作を示した特定の順序でまたは逐次的順序で実施されること、または全ての示された動作が実施されることを要求するものと理解されるべきではない。特定の環境において、マルチタスキングおよび並列処理が有利であるかもしれない。さらに、上述の実装における様々なシステムモジュールおよびコンポーネントの分離は、全ての実装におけるかかる分離を必要とするとは理解されるべきではなく、説明されたプログラムコンポーネントおよびシステムを一般に単一のソフトウェア製品に統合するかまたは複数のソフトウェア製品にパッケージ化できることは理解されるべきである。   Similarly, although operations have been described in a particular order in the drawings, this may be done in a particular order or in a sequential order that indicates such operations, or all indications, in order to achieve the desired result. It should not be understood as requiring that the performed operation be performed. In certain circumstances, multitasking and parallel processing may be advantageous. Furthermore, the separation of the various system modules and components in the above implementations should not be understood as requiring such separation in all implementations, and the described program components and systems are generally integrated into a single software product. It should be understood that it can be packaged into multiple software products.

主題の特定の実装を説明した。他の実装は添付の特許請求の範囲内にある。例えば、特許請求の範囲で記載した動作を異なる順序で実施して、依然として所望の結果を実現することができる。1例として、添付図面に示したプロセスは、所望の結果を実現するために示した特定の順序、または逐次的順序を必ずしも要求しない。幾つかのケースでは、マルチタスキングおよび並列処理が有利であるかもしれない。   A specific implementation of the subject has been described. Other implementations are within the scope of the appended claims. For example, the actions recited in the claims can be performed in a different order and still achieve desirable results. By way of example, the processes shown in the accompanying drawings do not necessarily require the specific order or sequential order shown to achieve the desired result. In some cases, multitasking and parallel processing may be advantageous.

130 エラー訂正サブシステム 130 Error correction subsystem

Claims (28)

測定量子ビットとデータ通信し、
データ量子ビットおよび測定量子ビットを複数のパターンに分割することであって、少なくとも1つのパターンは前記パターンに対する非重複エラーを受け、パターンに対する非重複エラーは前記パターンに帰属可能なエラーである、ことと、
測定量子ビットを含むパターンごとに、
前記測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化し、
前記測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化することと、
CNOTゲートにより動作されるデータ量子ビットおよび測定量子ビットを含む各パターンごとに、
前記データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化し、
同一の方向を定義するCNOTゲートのセットを選択し、前記選択されたCNOTゲートに対するパラメータを並列に最適化することと、
を行うように構成される、エラー訂正サブシステムを備える、装置。
Communicate data with the measurement qubit,
Dividing the data qubit and the measurement qubit into a plurality of patterns, wherein at least one pattern receives a non-overlapping error for the pattern, and the non-overlapping error for the pattern is an error that can be attributed to the pattern When,
For each pattern that includes a measurement qubit,
Optimizing in parallel the parameters of the readout quantum gate operating with the measurement qubits,
Optimizing the parameters of a single qubit quantum gate operating with the measurement qubits in parallel;
For each pattern containing data qubits and measurement qubits operated by a CNOT gate,
Optimize the parameters of the single qubit quantum gate operating with the data qubits in parallel,
Selecting a set of CNOT gates that define the same direction and optimizing the parameters for the selected CNOT gates in parallel;
An apparatus comprising an error correction subsystem configured to:
複数のデータ量子ビットと、
各データ量子ビットが1つまたは複数の近傍の測定量子ビットが有するように、前記データ量子ビットにインタリーブする、複数の測定量子ビットと、
各読出し量子ゲートが測定量子ビットで動作するように構成された、複数の読出し量子ゲートと、
各シングル量子ビット量子ゲートがデータ量子ビットまたは測定量子ビットで動作するように構成された、複数のシングル量子ビット量子ゲートと、
各CNOT量子ゲートが、データ量子ビットおよび近傍の測定量子ビットで動作するように構成され、各CNOTゲートが複数の方向のうち1つを定義する、複数のCNOT量子ゲートと、
をさらに含む、請求項1に記載の装置。
Multiple data qubits;
A plurality of measurement qubits interleaved with the data qubits such that each data qubit has one or more neighboring measurement qubits;
A plurality of readout quantum gates, each readout quantum gate configured to operate with a measurement qubit;
A plurality of single qubit qugates, each single qubit qugate configured to operate with data qubits or measurement qubits;
A plurality of CNOT quantum gates configured to operate with data qubits and neighboring measurement qubits, each CNOT gate defining one of a plurality of directions;
The apparatus of claim 1, further comprising:
前記複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットは、前記複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットが量子ビットの1次元チェーンを定義し、前記複数の方向が第1の方向および前記第1の方向と反対の第2の方向を含むように、インタリーブされる、請求項2に記載の装置。   The plurality of data qubits and measurement qubits define a one-dimensional chain of qubits, wherein the plurality of data qubits and measurement qubits are opposite to the first direction and the first direction. The apparatus of claim 2, wherein the apparatus is interleaved to include a second direction. 前記複数のシングル量子ビットゲートは位相シフトゲートまたは回転ゲートである、請求項2に記載の装置。   The apparatus of claim 2, wherein the plurality of single qubit gates are phase shift gates or rotation gates. 前記データ量子ビットはコントロール量子ビットであり、前記近傍の測定量子ビットはCNOTゲートごとのターゲット量子ビットである、請求項2に記載の装置。   The apparatus of claim 2, wherein the data qubit is a control qubit and the neighboring measurement qubit is a target qubit for each CNOT gate. 前記データ量子ビットはターゲット量子ビットであり、前記近傍の測定量子ビットはCNOTゲートごとのコントロール量子ビットである、請求項2に記載の装置。   The apparatus of claim 2, wherein the data qubit is a target qubit and the neighboring measurement qubit is a control qubit for each CNOT gate. 前記測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するために、前記エラー訂正サブシステムは、閉ループフィードバックを用いて反復プロセスを実施するように構成され、各反復で、前記エラー訂正サブシステムは、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義し、
前記測定量子ビットを測定して、現在のエラー率を決定し、
前記決定された現在のエラー率を格納し、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算し、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記読出しゲート・パラメータを調節する、
ように構成される、請求項1に記載の装置。
In order to optimize in parallel the parameters of the readout quantum gate operating on the measurement qubit, the error correction subsystem is configured to perform an iterative process using closed-loop feedback, and at each iteration, the error correction The subsystem is
Define the corresponding metric for minimization as the determined error rate,
Measuring the measurement qubit to determine a current error rate;
Storing the determined current error rate;
Calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
Adjusting the read gate parameter based on the calculated change in error rate;
The apparatus of claim 1, configured as follows.
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記読出しゲート・パラメータを調節するために、前記エラー訂正サブシステムは、数値最適化アルゴリズムを適用するように構成される、請求項7に記載の装置。   8. The apparatus of claim 7, wherein the error correction subsystem is configured to apply a numerical optimization algorithm to adjust the read gate parameter based on the calculated change in error rate. 前記測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するために、前記エラー訂正サブシステムは、閉ループフィードバックを用いて反復プロセスを実施するように構成され、各反復で、前記エラー訂正サブシステムは、並列に、測定量子ビットごとに、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義し、
前記測定量子ビットを測定してエラー率を決定し、
前記決定された現在のエラー率を格納し、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算し、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節する
ように構成される、請求項1に記載の装置。
In order to optimize in parallel the parameters of a single qubit quantum gate operating on the measurement qubit, the error correction subsystem is configured to perform an iterative process using closed-loop feedback, and at each iteration, the The error correction subsystem in parallel, for each measurement qubit,
Define the corresponding metric for minimization as the determined error rate,
Measuring the measurement qubit to determine the error rate;
Storing the determined current error rate;
Calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
The apparatus of claim 1, configured to adjust a parameter of the single qubit gate based on the calculated change in error rate.
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するために、前記エラー訂正サブシステムは、数値最適化アルゴリズムを適用するように構成される、請求項9に記載の装置。   The error correction subsystem is configured to apply a numerical optimization algorithm to adjust the parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate. apparatus. 前記データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するために、前記エラー訂正サブシステムは、閉ループフィードバックを用いて反復プロセスを実施するように構成され、各反復で、前記エラー訂正サブシステムは、並列に、データ量子ビットごとに、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義し、
前記対応する測定量子ビットを測定して、エラー率を決定し、
前記決定された現在のエラー率を格納し、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算し、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節する
ように構成される、請求項1に記載の装置。
In order to optimize in parallel the parameters of a single qubit quantum gate operating on the data qubits, the error correction subsystem is configured to perform an iterative process using closed-loop feedback, and at each iteration, the The error correction subsystem in parallel, for each data qubit,
Define the corresponding metric for minimization as the determined error rate,
Measuring the corresponding measurement qubit to determine the error rate;
Storing the determined current error rate;
Calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
The apparatus of claim 1, configured to adjust a parameter of the single qubit gate based on the calculated change in error rate.
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するために、前記エラー訂正サブシステムは、数値最適化アルゴリズムを適用するように構成される、請求項11に記載の装置。   12. The error correction subsystem is configured to apply a numerical optimization algorithm to adjust parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate. apparatus. 同一の方向を定義するCNOTゲートのセットを選択し、前記選択されたCNOTゲートに対するパラメータを並列に最適化するために、前記エラー訂正サブシステムは、選択された1組のCNOTゲートごとに、
並列に、前記選択されたセット内の各データ量子ビットに対して、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義し、
前記対応する測定量子ビットを測定して、エラー率を決定し、
前記決定された現在のエラー率を格納し、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算し、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記CNOTゲート・パラメータを調節する
ように構成される、請求項1に記載の装置。
In order to select a set of CNOT gates that define the same direction and optimize the parameters for the selected CNOT gates in parallel, the error correction subsystem includes:
In parallel, for each data qubit in the selected set,
Define the corresponding metric for minimization as the determined error rate,
Measuring the corresponding measurement qubit to determine the error rate;
Storing the determined current error rate;
Calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
The apparatus of claim 1, configured to adjust the CNOT gate parameter based on the calculated change in error rate.
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記CNOTゲート・パラメータを調節するために、前記エラー訂正サブシステムは、数値最適化アルゴリズムを適用するように構成される、請求項13に記載の装置。   14. The apparatus of claim 13, wherein the error correction subsystem is configured to apply a numerical optimization algorithm to adjust the CNOT gate parameter based on the calculated change in error rate. データ量子ビットおよび測定量子ビットを複数のパターンに分割するステップであって、少なくとも1つのパターンは前記パターンに対する非重複エラーを受け、パターンに対する非重複エラーは前記パターンに帰属可能なエラーである、ステップと、
測定量子ビットを含むパターンごとに、
前記測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、
前記測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、
CNOTゲートにより動作されるデータ量子ビットおよび測定量子ビットを含むパターンごとに、
前記データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップと、
同一の方向を定義するCNOTゲートのセットを選択し、前記選択されたCNOTゲートに対するパラメータを並列に最適化するステップと、
を含む、方法。
Dividing the data qubit and the measurement qubit into a plurality of patterns, wherein at least one pattern receives a non-overlapping error for the pattern, and the non-overlapping error for the pattern is an error that can be attributed to the pattern When,
For each pattern that includes a measurement qubit,
Optimizing in parallel the parameters of the readout quantum gate operating with the measurement qubits;
Optimizing the parameters of a single qubit quantum gate operating with the measurement qubits in parallel;
For each pattern that includes data qubits and measurement qubits operated by a CNOT gate,
Optimizing the parameters of a single qubit quantum gate operating on the data qubits in parallel;
Selecting a set of CNOT gates that define the same direction and optimizing the parameters for the selected CNOT gates in parallel;
Including a method.
複数のデータ量子ビットと、
各データ量子ビットが近傍の測定量子ビットを有するように前記データ量子ビットにインタリーブする、複数の測定量子ビットと、
各読出し量子ゲートが測定量子ビットで動作するように構成された、複数の読出し量子ゲートと、
各シングル量子ビット量子ゲートがデータ量子ビットまたは測定量子ビットで動作するように構成された、複数のシングル量子ビット量子ゲートと、
各CNOT量子ゲートが、データ量子ビットおよび近傍の測定量子ビットで動作するように構成され、各CNOTゲートが複数の方向のうち1つを定義する、複数のCNOT量子ゲートと、
を含む量子情報記憶システムにアクセスするステップ
をさらに含む、請求項15に記載の方法。
Multiple data qubits;
A plurality of measurement qubits that interleave with the data qubits such that each data qubit has neighboring measurement qubits;
A plurality of readout quantum gates, each readout quantum gate configured to operate with a measurement qubit;
A plurality of single qubit qugates, each single qubit qugate configured to operate with data qubits or measurement qubits;
A plurality of CNOT quantum gates configured to operate with data qubits and neighboring measurement qubits, each CNOT gate defining one of a plurality of directions;
16. The method of claim 15, further comprising accessing a quantum information storage system comprising:
前記複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットは、前記複数のデータ量子ビットおよび測定量子ビットが量子ビットの1次元チェーンを定義し、前記複数の方向が第1の方向および前記第1の方向と反対の第2の方向を含むように、インタリーブされる、請求項16に記載の方法。   The plurality of data qubits and measurement qubits define a one-dimensional chain of qubits, wherein the plurality of data qubits and measurement qubits are opposite to the first direction and the first direction. The method of claim 16, wherein the method is interleaved to include a second direction. 前記複数のシングル量子ビットゲートは位相シフトゲートまたは回転ゲートである、請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein the plurality of single qubit gates are phase shift gates or rotation gates. 前記データ量子ビットはコントロール量子ビットであり、前記近傍の測定量子ビットはCNOTゲートごとのターゲット量子ビットである、請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein the data qubit is a control qubit and the neighboring measurement qubit is a target qubit for each CNOT gate. 前記データ量子ビットはターゲット量子ビットであり、前記近傍の測定量子ビットはCNOTゲートごとのコントロール量子ビットである、請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein the data qubit is a target qubit and the neighboring measurement qubit is a control qubit for each CNOT gate. 前記測定量子ビットで動作する読出し量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、測定量子ビットごとに、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、
前記測定量子ビットを測定して現在のエラー率を決定するステップと、
前記決定された現在のエラー率を格納するステップと、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算するステップと、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記読出しゲート・パラメータを調節するステップと、
を含む、請求項15に記載の方法。
The step of optimizing the parameters of the readout quantum gate operating on the measurement qubits in parallel is an iterative process using closed loop feedback, each iteration in parallel, for each measurement qubit,
Defining a corresponding metric for minimization as a determined error rate;
Measuring the measurement qubit to determine a current error rate;
Storing the determined current error rate;
Calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
Adjusting the read gate parameter based on the calculated change in error rate;
The method of claim 15 comprising:
エラー率における前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む、請求項21に記載の方法。   The method of claim 21, wherein adjusting the parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate comprises applying a numerical optimization algorithm. 前記測定量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、測定量子ビットごとに、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、
前記測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、
前記決定された現在のエラー率を格納するステップと、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算するステップと、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップと、
を含む、請求項15に記載の方法。
The step of optimizing the parameters of the single qubit qugate operating with the measurement qubits in parallel is an iterative process using closed loop feedback, each iteration in parallel, for each measurement qubit,
Defining a corresponding metric for minimization as a determined error rate;
Measuring the measurement qubit to determine an error rate;
Storing the determined current error rate;
Calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
Adjusting parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate;
The method of claim 15 comprising:
エラー率における前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む、請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein adjusting the single qubit gate parameters based on the calculated change in error rate comprises applying a numerical optimization algorithm. 前記データ量子ビットで動作するシングル量子ビット量子ゲートのパラメータを並列に最適化するステップは閉ループフィードバックを用いた反復プロセスであり、各反復は、並列に、データ量子ビットごとに、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、
前記対応する測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、
前記決定された現在のエラー率を格納するステップと、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算するステップと、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップと、
を含む、請求項15に記載の方法。
The step of optimizing the parameters of the single qubit quantum gate operating on the data qubits in parallel is an iterative process using closed loop feedback, each iteration in parallel, for each data qubit,
Defining a corresponding metric for minimization as a determined error rate;
Measuring the corresponding measurement qubit to determine an error rate;
Storing the determined current error rate;
Calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
Adjusting parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate;
The method of claim 15 comprising:
エラー率における前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む、請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein adjusting the single qubit gate parameter based on the calculated change in error rate comprises applying a numerical optimization algorithm. 同一の方向を定義するCNOTゲートのセットを選択し、前記選択されたCNOTゲートに対するパラメータを並列に最適化するステップは、選択された1組のCNOTゲートごとに、
並列に、前記選択されたセット内の各データ量子ビットに対して、
最小化のための対応するメトリックを決定されたエラー率として定義するステップと、
前記対応する測定量子ビットを測定してエラー率を決定するステップと、
前記決定された現在のエラー率を格納するステップと、
前記現在のエラー率と以前の反復からの前記格納されたエラー率との間の前記エラー率の変化を計算するステップと、
エラー率の前記計算された変化に基づいて前記CNOTゲート・パラメータを調節するステップと、
を含む、請求項15に記載の方法。
Selecting a set of CNOT gates that define the same direction, and optimizing the parameters for the selected CNOT gates in parallel includes, for each set of CNOT gates selected:
In parallel, for each data qubit in the selected set,
Defining a corresponding metric for minimization as a determined error rate;
Measuring the corresponding measurement qubit to determine an error rate;
Storing the determined current error rate;
Calculating a change in the error rate between the current error rate and the stored error rate from a previous iteration;
Adjusting the CNOT gate parameter based on the calculated change in error rate;
The method of claim 15 comprising:
エラー率における前記計算された変化に基づいて前記シングル量子ビットゲートのパラメータを調節するステップは、数値最適化アルゴリズムを適用するステップを含む、請求項26に記載の方法。   27. The method of claim 26, wherein adjusting the parameters of the single qubit gate based on the calculated change in error rate comprises applying a numerical optimization algorithm.
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